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浅析ArrayList与LinkedList区别及源码分析

源码 分析 区别 浅析 ArrayList LinkedList
2023-09-11 14:19:56 时间

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。

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