[Java]ArrayList、LinkedList、Vector、Stack的比较

一、介绍

先回顾一下List的框架图

由图中的继承关系，可以知道，ArrayList、LinkedList、Vector、Stack都是List的四个实现类。

• AbstractList是一个抽象类，它继承于AbstractCollection。AbstractList实现List接口中除size()、get(int location)之外的函数。

• AbstractSequentialList 是一个抽象类，它继承于AbstractList。AbstractSequentialList 实现了“链表中，根据index索引值操作链表的全部函数”。

• ArrayList 是一个数组队列，相当于动态数组。它由数组实现，随机访问效率高，随机插入、随机删除效率低。

• LinkedList 是一个双向链表。它也可以被当作堆栈、队列或双端队列进行操作。LinkedList随机访问效率低，但随机插入、随机删除效率低。

• Vector 是矢量队列，和ArrayList一样，它也是一个动态数组，由数组实现。但是ArrayList是非线程安全的，而Vector是线程安全的。

• Stack 是栈，它继承于Vector。它的特性是：先进后出(FILO, First In Last Out)。

二、性能测试

在对ArrayList、LinkedList、Vector、Stack进行比较之前，我们先来对他们进行一个性能测试，结合源码和测试结果来对ArrayList、LinkedList、Vector、Stack进行详细的分析。

import java.util.*;

public class ListTest {
	private static final int COUNT = 100000;

    private static LinkedList linkedList = new LinkedList();
    private static ArrayList arrayList = new ArrayList();
    private static Vector vector = new Vector();
    private static Stack stack = new Stack();

    public static void main(String[] args) {
        // 换行符
        System.out.println();
        // 插入
        insertByPosition(stack) ;
        insertByPosition(vector) ;
        insertByPosition(linkedList) ;
        insertByPosition(arrayList) ;

        // 换行符
        System.out.println();
        // 随机读取
        readByPosition(stack);
        readByPosition(vector);
        readByPosition(linkedList);
        readByPosition(arrayList);

        // 换行符
        System.out.println();
        // 删除 
        deleteByPosition(stack);
        deleteByPosition(vector);
        deleteByPosition(linkedList);
        deleteByPosition(arrayList);
    }

    // 获取list的名称
    private static String getListName(List list) {
        if (list instanceof LinkedList) {
            return "LinkedList";
        } else if (list instanceof ArrayList) {
            return "ArrayList";
        } else if (list instanceof Stack) {
            return "Stack";
        } else if (list instanceof Vector) {
            return "Vector";
        } else {
            return "List";
        }
    }

    // 向list的指定位置插入COUNT个元素，并统计时间
    private static void insertByPosition(List list) {
        long startTime = System.currentTimeMillis();

        // 向list的位置0插入COUNT个数
        for (int i=0; i<COUNT; i++)
            list.add(0, i);

        long endTime = System.currentTimeMillis();
        long interval = endTime - startTime;
        System.out.println(getListName(list) + " : insert "+COUNT+" elements into the 1st position use time：" + interval+" ms");
    }

    // 从list的指定位置删除COUNT个元素，并统计时间
    private static void deleteByPosition(List list) {
        long startTime = System.currentTimeMillis();

        // 删除list第一个位置元素
        for (int i=0; i<COUNT; i++)
            list.remove(0);

        long endTime = System.currentTimeMillis();
        long interval = endTime - startTime;
        System.out.println(getListName(list) + " : delete "+COUNT+" elements from the 1st position use time：" + interval+" ms");
    }

    // 根据position，不断从list中读取元素，并统计时间
    private static void readByPosition(List list) {
        long startTime = System.currentTimeMillis();

        // 读取list元素
        for (int i=0; i<COUNT; i++)
            list.get(i);

        long endTime = System.currentTimeMillis();
        long interval = endTime - startTime;
        System.out.println(getListName(list) + " : read "+COUNT+" elements by position use time：" + interval+" ms");
    }
}

得到的结果如下

Stack : insert 100000 elements into the 1st position use time：834 ms
Vector : insert 100000 elements into the 1st position use time：818 ms
LinkedList : insert 100000 elements into the 1st position use time：10 ms
ArrayList : insert 100000 elements into the 1st position use time：822 ms

Stack : read 100000 elements by position use time：5 ms
Vector : read 100000 elements by position use time：3 ms
LinkedList : read 100000 elements by position use time：6088 ms
ArrayList : read 100000 elements by position use time：2 ms

Stack : delete 100000 elements from the 1st position use time：857 ms
Vector : delete 100000 elements from the 1st position use time：835 ms
LinkedList : delete 100000 elements from the 1st position use time：6 ms
ArrayList : delete 100000 elements from the 1st position use time：849 ms

根据结果，可以很明显的看出ArrayList、LinkedList、Vector、Stack的性能有很大的区别。

操作	ArrayList	LinkedList	Vector	Stack
读取	2ms	6088ms	3ms	5ms
插入	822ms	10ms	818ms	834ms
删除	849ms	6ms	835ms	857ms

读取：ArrayList > Vector > Stack > LinkedList
插入：LinkedList > Vector > ArrayList > Stack
删除：LinkedList > Vector > ArrayList > Stack

三、插入的分析

LinkedList

// 在index前添加节点，且节点的值为element
public void add(int index, E element) {
    addBefore(element, (index==size ? header : entry(index)));
}

// 获取双向链表中指定位置的节点
private Entry<E> entry(int index) {
    if (index < 0 || index >= size)
        throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+
                                            ", Size: "+size);
    Entry<E> e = header;
    // 获取index处的节点。
    // 若index < 双向链表长度的1/2,则从前向后查找;
    // 否则，从后向前查找。
    if (index < (size >> 1)) {
        for (int i = 0; i <= index; i++)
            e = e.next;
    } else {
        for (int i = size; i > index; i--)
            e = e.previous;
    }
    return e;
}

// 将节点(节点数据是e)添加到entry节点之前。
private Entry<E> addBefore(E e, Entry<E> entry) {
    // 新建节点newEntry，将newEntry插入到节点e之前；并且设置newEntry的数据是e
    Entry<E> newEntry = new Entry<E>(e, entry, entry.previous);
    // 插入newEntry到链表中
    newEntry.previous.next = newEntry;
    newEntry.next.previous = newEntry;
    size++;
    modCount++;
    return newEntry;
}

从中，我们可以看出：通过add(int index, E element)向LinkedList插入元素时。先是在双向链表中找到要插入节点的位置index；找到之后，再插入一个新节点。
双向链表查找index位置的节点时，有一个加速动作：若index < 双向链表长度的1/2，则从前向后查找; 否则，从后向前查找。

ArrayList

// 将e添加到ArrayList的指定位置
public void add(int index, E element) {
    if (index > size || index < 0)
        throw new IndexOutOfBoundsException(
        "Index: "+index+", Size: "+size);

    ensureCapacity(size+1);  // Increments modCount!!
    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
         size - index);
    elementData[index] = element;
    size++;
}

在这里面有一个非常耗时的操作

System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index);
该方法被标记了native，调用了系统的C/C++代码，在JDK中是看不到的，但在openJDK中可以看到其源码。
该函数实际上最终调用了C语言的memmove()函数，因此它可以保证同一个数组内元素的正确复制和移动，比一般的复制方法的实现效率要高很多，很适合用来批量处理数组。Java强烈推荐在复制大量数组元素时用该方法，以取得更高的效率。

Vector

public synchronized void insertElementAt(E obj, int index) {
        modCount++;
        if (index > elementCount) {
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index
                                                     + " > " + elementCount);
        }
        ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, elementCount - index);
        elementData[index] = obj;
        elementCount++;
    }
    public void add(int index, E element) {
        insertElementAt(element, index);
    }

可以看到Vector和ArrayList是一样的，都调用了System.arraycopy。由于Stack和继承与Vector，就不仔细分析了。

四、查找的分析

LinkedList

LinkedList随机访问的代码
// 返回LinkedList指定位置的元素
public E get(int index) {
    return entry(index).element;
}

// 获取双向链表中指定位置的节点
private Entry<E> entry(int index) {
    if (index < 0 || index >= size)
        throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+
                                            ", Size: "+size);
    Entry<E> e = header;
    // 获取index处的节点。
    // 若index < 双向链表长度的1/2,则从前先后查找;
    // 否则，从后向前查找。
    if (index < (size >> 1)) {
        for (int i = 0; i <= index; i++)
            e = e.next;
    } else {
        for (int i = size; i > index; i--)
            e = e.previous;
    }
    return e;
}

从中，我们可以看出：通过get(int index)获取LinkedList第index个元素时。先是在双向链表中找到要index位置的元素；找到之后再返回。
双向链表查找index位置的节点时，有一个加速动作：若index < 双向链表长度的1/2，则从前向后查找; 否则，从后向前查找。

ArrayList

// 获取index位置的元素值
public E get(int index) {
    RangeCheck(index);

    return (E) elementData[index];
}

private void RangeCheck(int index) {
    if (index >= size)
        throw new IndexOutOfBoundsException(
        "Index: "+index+", Size: "+size);
}

我们可以看到ArrayList直接返回数组中index位置的元素，而不需要像LinkedList一样进行查找。
通过源码发现Vector和Stack的操作方式和ArrayList一样，这里就不详细分析了。

五、删除的分析

LinkedList

private E remove(Entry<E> e) {
    if (e == header)
        throw new NoSuchElementException();
    E result = e.element;
    e.previous.next = e.next;
    e.next.previous = e.previous;
    e.next = e.previous = null;
    e.element = null;
    size--;
    modCount++;

    return result;
}

由于删除了某一节点因此调整相应节点的前后指针信息，如下：

e.previous.next = e.next;//预删除节点的前一节点的后指针指向预删除节点的后一个节点。 
e.next.previous = e.previous;//预删除节点的后一节点的前指针指向预删除节点的前一个节点。 

清空预删除节点：

e.next = e.previous = null;
e.element = null;

交给gc完成资源回收，删除操作结束。

与ArrayList比较而言，LinkedList的删除动作不需要“移动”很多数据，从而效率更高。

ArrayList

    public E remove(int index) {
        rangeCheck(index);

        modCount++;
        E oldValue = elementData(index);

        int numMoved = size - index - 1;
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                             numMoved);
        elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work

        return oldValue;
    }

恩，又是调用了System.arraycopy。

六、结论

操作	ArrayList	LinkedList	Vector	Stack
读取	O(1)	O(n)	O(1)	O(1)
插入	O(n)	O(1)	O(n)	O(n)
删除	O(n)	O(1)	O(n)	O(n)

• ArrayList(实现动态数组)，查询快（随意访问或顺序访问），增删慢。整体清空快，线程不同步(非线程安全)。数组长度是可变的百分之五十延长
• LinkedList（实现链表），查询慢，增删快。
• Vector（实现动态数组），都慢，被ArrayList替代。长度任意延长。线程安全（同步的类，函数都是synchronized）
• Stack（实现堆栈）继承于Vector，先进后出。

所以，快速访问ArrayList，快速增删LinkedList，单线程都可以用，多线程只能用同步类Vector