ArrayList和LinkedList的数据结构

 

本文将从实现的角度来描述ArrayList和LinkedList的数据结构及各自的应用场景

 

ArrayList

 

从名称就可以猜到ArrayList底层使用数组来实现List容器。数组是静态容器，即它不支持扩容或者删除数据，ArrayList在数组的基础上增加了动态扩容和删除，所以ArrayList也可以称之为动态数组。

 

ArrayList有两个重要的变量：

 

int size;
Object[] elementData; 

 

size表示当前容器中存放的元素数量，elementData用来存放元素，elementData.length表示容器的容量。下图表示一个容器包含4个元素分别是1、2、3、4，容器的容量为8。

 

 

ArrayList使用下标访问（get(index)） 时效率很高，因为数组可以直接使用下标访问元素， 它的算法复杂度为O(1)。 对于那些非数组实现的容器，下标访问需要从头开始遍历容器。

 

在添加元素时如果容器的容量已满即size=elementData.length时会触发扩容动作，扩容动作会重新分配一个大容量的数组，然后把数据拷贝到新数组里面。当容器里面数据很多时，拷贝数据会影响性能，所以扩容操作应该尽可能的少，Java使用每次扩容elementData.length / 2的策略来减少扩容动作。添加元素在最坏情况下的算法复杂度为O(n)，下图是扩容操作示意图：

 

 

容器允许删除任意位置的元素，为了保证数据的连续性，在一个位置删除数据以后需要把后面的数据往前移动（把元素往前面拷贝），在数据量很大时移动数据操作会影响性能。删除操作在最坏情况下的算法复杂度为O(n)，删除操作示意如下：

 

 

综上， ArrayList具备很高的下标访问效率，但是增加和删除数据效率可能较低，所以它不适用于频繁增删数据的场景。

 

LinkedList

 

LinkedList底层使用双向链表来实现，它有三个重要的变量：

 

int size = 0; 
Node first;
Node last; 

 

size表示当前存储的元素数量，Node表示结点，first表示链表的头结点，last表示尾结点，Node定义如下：

 

private static class Node {
        E item;
        Node next;
        Node prev;

        Node(Node prev, E element, Node next) {
            this.item = element;
            this.next = next;
            this.prev = prev;
        }
    }

 

Node有三个成员变量：item、next、prev，item表示存储的元素，next表示链表下一个结点，prev表示链表上一个结点。

 

下图是一个LinkedList结构图，它存储了四个元素分别是：1、2、3、4：

 

 

从上图可以看到first结点的prev为null，因为头结点前面已经没有结点了，同理last结点后面已经没有结点了，所以last结点的next为null。

 

LinkedList的下标访问（get(index)）相对增加和删除来说效率偏低，它需要从头或者从尾遍历容器，最坏情况下需要遍历半个容器，算法时间复杂度为O(n)。

 

向LinkedList插入或增加新元素非常简单，只需重新调整结点的next和prev即可，它的算法复杂度为O(1)，下图是插入一个元素的示意图：

 

 

从LinkedList中删除一个元素也很简单，它和插入新结点一样只需调整结点的prev和next，算法复杂度为O(1)，下图是删除结点示意图：

 

 

综上，LinkedList的插入和删除操作效率很高，但是它的下标访问效率低，所以它不适用于需要频繁使用下标访问数据的场景。

 

【水煮Java】