17.ArrayList和LinkedList的用法分析

ArrayList和LinkedList是Java集合框架里用来存储对象引用列表的两个类。ArrayList和LinkedList都实现了List接口。
列表(list)是元素的有序集合,也称为序列。它提供了基于元素位置的操作,有助于快速访问、添加和删除列表中特定索引位置的元素。List 接口实现了 Collection 和 Iterable 作为父接口。它允许存储重复值和空值,支持通过索引访问元素。
(1)增加元素到列表尾端
在ArrayList中增加元素到队列尾端的代码如下:

public boolean add(E e){
   ensureCapacity(size+1);//确保内部数组有足够的空间
   elementData[size++]=e;//将元素加入到数组的末尾,完成添加
   return true;      
}

可以看出,只要ArrayList的当前容量足够大,add()的操作效率是非常高的。只有当ArrayList对容量的需求超出当前数组大小时,才需要进行扩容。扩容的过程中,会进行大量的数组复制操作。而数组复制时,最终将调用System.arraycopy()方法。
LinkedList 的add()操作实现如下,它也将任意元素增加到队列的尾端:

public boolean add(E e){
   addBefore(e,header);//将元素增加到header的前面
   return true;
}

由于LinkeList使用了链表的结构,因此不需要维护容量的大小,比ArrayList有一定的性能优势,然而,每次的元素增加都需要新建一个Entry对象,进行更多的赋值操作,在频繁的系统调用中,对性能会产生一定的影响。
(2)增加元素到列表任意位置
由于实现的不同,ArrayList是基于数组实现的,而数组是一块连续的内存空间,如果在数组的任意位置插入元素,必然导致在该位置的所有元素需要重新排列,效率较低。

public void add(int index,E element){
   if(index>size||index<0)
      throw new IndexOutOfBoundsException(
        "Index:"+index+",size: "+size);
         ensureCapacity(size+1);
         System.arraycopy(elementData,index,elementData,index+1,size-index);
         elementData[index] = element;
         size++;
}

对LinkeList而言,在List的尾端插入数据与在任意位置插入数据是一样的,不会因为插入位置靠前而导致性能降低。

public void add(int index,E element){
   addBefore(element,(index==size?header:entry(index)));
}

(3)删除任意位置元素
对ArrayList来说,remove()方法和add()方法是雷同的,在任意位置移除元素后,要进行数组的重组,ArrayList的实现如下:

public E remove(int index){
   RangeCheck(index);
   modCount++;
   E oldValue=(E) elementData[index];
  int numMoved=size-index-1;
  if(numMoved>0)
     System.arraycopy(elementData,index+1,elementData,index,numMoved);
     elementData[--size]=null;
     return oldValue;
}

在ArrayList的每一次有效的元素删除操作后,都要进行数组的重组。并且删除的位置越靠前,数组重组时的开销越大。

public E remove(int index){
  return remove(entry(index));         
}
private Entry<E> entry(int index){
  if(index<0 || index>=size)
      throw new IndexOutBoundsException("Index:"+index+",size:"+size);
      Entry<E> e= header;
      if(index<(size>>1)){//要删除的元素位于前半段
         for(int i=0;i<=index;i++)
             e=e.next;
     }else{
         for(int i=size;i>index;i--)
             e=e.previous;
     }
         return e;
}

在LinkedList的实现中,首先要通过循环找到要删除的元素。如果要删除的位置处于List的前半段,则从前往后找;若其位置处于后半段,则从后往前找。因此无论要删除较为靠前或者靠后的元素都是非常高效的;但要移除List中间的元素却几乎要遍历完半个List,在List拥有大量元素的情况下,效率很低。
(4)容量参数
容量参数是ArrayList和Vector等基于数组的List的特有性能参数。它表示初始化的数组大小。当ArrayList所存储的元素数量超过其已有大小时。它便会进行扩容,数组的扩容会导致整个数组进行一次内存复制。因此合理的数组大小有助于减少数组扩容的次数,从而提高系统性能。

public  ArrayList(){
  this(10);  
}
public ArrayList (int initialCapacity){
   super();
   if(initialCapacity<0)
       throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity:"+initialCapacity)
      this.elementData=new Object[initialCapacity];
}

现以构造一个拥有100万元素的List为例,当使用默认初始化大小时,其消耗的相对时间为125ms左右,当直接制定数组大小为100万时,构造相同的ArrayList仅相对耗时16ms。
(5)遍历列表
1.forEach操作
2.迭代器
3.for循环

String tmp;
long start=System.currentTimeMills();    //ForEach 
for(String s:list){
    tmp=s;
}
System.out.println("foreach spend:"+(System.currentTimeMills()-start));
start = System.currentTimeMills();
for(Iterator<String> it=list.iterator();it.hasNext();){    
   tmp=it.next();
}
System.out.println("Iterator spend;"+(System.currentTimeMills()-start));
start=System.currentTimeMills();
int size=;list.size();
for(int i=0;i<size;i++){                     
    tmp=list.get(i);
}
System.out.println("for spend;"+(System.currentTimeMills()-start));

构造一个拥有100万数据的ArrayList和等价的LinkedList,使用以上代码进行测试,最简便的foreach循环并没有很好的性能表现,综合性能不如普通的迭代器,ArrayList使用for循环通过随机访问遍历列表时性能最好。应避免LinkedList使用for循环,因为对LinkedList进行随机访问时,总会进行一次列表的遍历操作,性能非常差。
(6)总结
1.对ArrayList和LinkedList而言,在列表末尾增加一个元素所花的开销都是固定的。
对ArrayList而言,主要是在内部数组中增加一项,指向所添加的元素,偶尔可能会导致对数组重新进行分配;
而对LinkedList而言,这个开销是统一的,分配一个内部Entry对象。
2.在ArrayList的中间插入或删除一个元素意味着这个列表中剩余的元素都会被移动;而在LinkedList的中间插入或删除一个元素的开销是固定的。
3.LinkedList不支持高效的随机元素访问。
4.ArrayList的空间浪费主要体现在在list列表的结尾预留一定的容量空间,而LinkedList的空间花费则体现在它的每一个元素都需要消耗相当的空间。

当操作是在一列数据的后面添加数据而不是在前面或中间,并且需要随机地访问其中的元素时,使用ArrayList会有更好的性能;当操作是在一列数据的前面或中间添加或删除数据,并且按照顺序访问其中的元素时,就应该使用LinkedList了。


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