浅析ArrayList与LinkedList区别及源码分析
一、主要区别:
ArrayList和LinkedList的区别是:数据结构不同、效率不同、自由性不同、主要控件开销不同。
1、数据结构不同
ArrayList是Array(动态数组)的数据结构,LinkedList是Link(链表)的数据结构。
2、访问效率不同
当随机访问List(get和set操作)时,ArrayList比LinkedList的效率更高,因为LinkedList是线性的数据存储方式,所以需要移动指针从前往后依次查找。
当对数据进行增加和删除的操作(add和remove操作)时,一般大家会认为LinkedList比ArrayList的效率更高,因为ArrayList是数组,所以在其中进行增删操作时,会对操作点之后所有数据的下标索引造成影响,需要进行数据的移动。
但是实际情况并非这样,对于添加或删除,LinkedList和ArrayList并不能明确说明谁快谁慢,下面源码会详细分析。
3、自由性不同
ArrayList自由性较低,因为它需要手动的设置固定大小的容量,但是它的使用比较方便,只需要创建,然后添加数据,通过调用下标进行使用;而LinkedList自由性较高,能够动态的随数据量的变化而变化,但是它不便于使用。
4、主要控件开销不同
ArrayList主要控件开销在于需要在List列表预留一定空间;而LinkList主要控件开销在于需要存储节点信息以及节点指针。
ArrayList、LinkedList、Vector和Stack是List的四个实现类,其中Vector是基于JDK1.0,虽然实现了同步,但是效率低,已经不用了,Stack继承与Vector,所以不再赘述。LinkedList是个双向链表,它同样可以被当作栈、队列或双端队列来使用
二、ArrayList 与 LinkedList 数据结构分析
ArrayList是实现了基于动态数组的数据结构,LinkedList基于链表的数据结构。
对于随机访问get和set,ArrayList优于LinkedList,ArrayList内部使用数组的形式实现了存储,实现了RandomAccess接口,利用数组的下面进行元素的访问,因此对元素的随机访问速度非常快。而LinkedList却需要移动指针。
对于新增和删除操作add和remove,LinedList比较占优势,因为ArrayList要移动数据。
因为是数组,所以ArrayList在初始化的时候,有初始大小10,插入新元素的时候,会判断是否需要扩容,扩容的步长是0.5倍原容量,扩容方式是利用数组的复制,因此有一定的开销;
另外,ArrayList在进行元素插入的时候,需要移动插入位置之后的所有元素,位置越靠前,需要位移的元素越多,开销越大,相反,插入位置越靠后的话,开销就越小了,如果在最后面进行插入,那就不需要进行位移。
LinkedList:内部使用双向链表的结构实现存储,LinkedList有一个内部类作为存放元素的单元,里面有三个属性,用来存放元素本身以及前后2个单元的引用,另外LinkedList内部还有一个header属性,用来标识起始位置,LinkedList的第一个单元和最后一个单元都会指向header,因此形成了一个双向的链表结构。
LinkedList是采用双向链表实现的。所以它也具有链表的特点,每一个元素(结点)的地址不连续,通过引用找到当前节点的上一个节点和下一个节点,即插入和删除效率较高,只需要常数时间,而get和set则较为低效。
LinkedList的方法和使用和ArrayList大致相同,由于LinkedList是链表实现的,所以额外提供了在头部和尾部添加/删除元素的方法,也没有ArrayList扩容的问题了。另外,ArrayList和LinkedList都可以实现栈、队列等数据结构,但LinkedList本身实现了队列的接口,所以更推荐用LinkedList来实现队列和栈。
三、源码分析
我们结合源码来看看为什么是这样的:
1、ArrayList中的随机访问、添加和删除部分源码如下:
//获取index位置的元素值
public E get(int index) {
rangeCheck(index); //首先判断index的范围是否合法
return elementData(index);
}
//将index位置的值设为element,并返回原来的值
public E set(int index, E element) {
rangeCheck(index);
E oldValue = elementData(index);
elementData[index] = element;
return oldValue;
}
//将element添加到ArrayList的指定位置
public void add(int index, E element) {
rangeCheckForAdd(index);
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
//将index以及index之后的数据复制到index+1的位置往后,即从index开始向后挪了一位
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
size - index);
elementData[index] = element; //然后在index处插入element
size++;
}
//删除ArrayList指定位置的元素
public E remove(int index) {
rangeCheck(index);
modCount++;
E oldValue = elementData(index);
int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0)
//向左挪一位,index位置原来的数据已经被覆盖了
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
numMoved);
//多出来的最后一位删掉
elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
return oldValue;
}
2、LinkedList中的随机访问、添加和删除部分源码如下
//获得第index个节点的值
public E get(int index) {
checkElementIndex(index);
return node(index).item;
}
//设置第index元素的值
public E set(int index, E element) {
checkElementIndex(index);
Node<E> x = node(index);
E oldVal = x.item;
x.item = element;
return oldVal;
}
//在index个节点之前添加新的节点
public void add(int index, E element) {
checkPositionIndex(index);
if (index == size)
linkLast(element);
else
linkBefore(element, node(index));
}
//删除第index个节点
public E remove(int index) {
checkElementIndex(index);
return unlink(node(index));
}
//定位index处的节点
Node<E> node(int index) {
// assert isElementIndex(index);
//index<size/2时,从头开始找
if (index < (size >> 1)) {
Node<E> x = first;
for (int i = 0; i < index; i++)
x = x.next;
return x;
} else { //index>=size/2时,从尾开始找
Node<E> x = last;
for (int i = size - 1; i > index; i--)
x = x.prev;
return x;
}
}
从源码可以看出,ArrayList想要get(int index)元素时,直接返回index位置上的元素,而LinkedList需要通过for循环进行查找,虽然LinkedList已经在查找方法上做了优化,比如index < size / 2,则从左边开始查找,反之从右边开始查找,但是还是比ArrayList要慢。这点是毋庸置疑的。
ArrayList想要在指定位置插入或删除元素时,主要耗时的是System.arraycopy动作,会移动index后面所有的元素;LinkedList主耗时的是要先通过for循环找到index,然后直接插入或删除。
这就导致了两者并非一定谁快谁慢:主要有两个因素决定他们的效率,插入的数据量和插入的位置。我们可以在程序里改变这两个因素来测试它们的效率。
(1)当数据量较小时,测试程序中,大约小于30的时候,两者效率差不多,没有显著区别;
(2)当数据量较大时,大约在容量的1/10处开始,LinkedList的效率就开始没有ArrayList效率高了,特别到一半以及后半的位置插入时,LinkedList效率明显要低于ArrayList,而且数据量越大,越明显。
比如我测试了一种情况,在index=1000的位置(容量的1/10)插入10000条数据和在index=5000的位置以及在index=9000的位置插入10000条数据的运行时间如下:
// 在index=1000出插入结果:
array time:4
linked time:240
array insert time:20
linked insert time:18
// 在index=5000处插入结果:
array time:4
linked time:229
array insert time:13
linked insert time:90
// 在index=9000处插入结果:
array time:4
linked time:237
array insert time:7
linked insert time:92
从运行结果看,LinkedList的效率是越来越差。
所以当插入的数据量很小时,两者区别不太大,当插入的数据量大时,大约在容量的1/10之前,LinkedList会优于ArrayList,在其后就劣于ArrayList,且越靠近后面越差。
所以个人觉得,一般首选用ArrayList,由于LinkedList可以实现栈、队列以及双端队列等数据结构,所以当特定需要时候,使用LinkedList,当然咯,数据量小的时候,两者差不多,视具体情况去选择使用;当数据量大的时候,如果只需要在靠前的部分插入或删除数据,那也可以选用LinkedList,反之选择ArrayList反而效率更高。