ArrayList VS LinkedList，最后一战
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2021-10-17 13:43
大家好，我是二哥呀。
这是《Java 程序员进阶之路》专栏的第 61 篇，我们来继续探讨 ArrayList 和 LinkedList，这一篇比上一篇更深入、更全面，源码讲解、性能考量，方方面面都有涉及到了。
首先必须得感谢大家，《Java 程序员进阶之路》在 GitHub 上已经突破 400 个星标了，感谢感谢，还没 star 的赶紧安排一波了，冲击 500 星标了。
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01、ArrayList 是如何实现的？
ArrayList 实现了 List 接口，继承了 AbstractList 抽象类。
底层是基于数组实现的，并且实现了动态扩容
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
transient Object[] elementData;
private int size;
}
ArrayList 还实现了 RandomAccess 接口，这是一个标记接口：
public interface RandomAccess {
}
内部是空的，标记“实现了这个接口的类支持快速（通常是固定时间）随机访问”。快速随机访问是什么意思呢？就是说不需要遍历，就可以通过下标（索引）直接访问到内存地址。
public E get(int index) {
Objects.checkIndex(index, size);
return elementData(index);
}
E elementData(int index) {
return (E) elementData[index];
}
ArrayList 还实现了 Cloneable 接口，这表明 ArrayList 是支持拷贝的。ArrayList 内部的确也重写了 Object 类的 clone() 方法。
public Object clone() {
try {
ArrayList v = (ArrayList) super.clone();
v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);
v.modCount = 0;
return v;
} catch (CloneNotSupportedException e) {
// this shouldn't happen, since we are Cloneable
throw new InternalError(e);
}
}
ArrayList 还实现了 Serializable 接口，同样是一个标记接口：
public interface Serializable {
}
内部也是空的，标记“实现了这个接口的类支持序列化”。序列化是什么意思呢？Java 的序列化是指，将对象转换成以字节序列的形式来表示，这些字节序中包含了对象的字段和方法。序列化后的对象可以被写到数据库、写到文件，也可用于网络传输。
眼睛雪亮的小伙伴可能会注意到，ArrayList 中的关键字段 elementData 使用了 transient 关键字修饰，这个关键字的作用是，让它修饰的字段不被序列化。
这不前后矛盾吗？一个类既然实现了 Serilizable 接口，肯定是想要被序列化的，对吧？那为什么保存关键数据的 elementData 又不想被序列化呢?
这还得从 “ArrayList 是基于数组实现的”开始说起。大家都知道，数组是定长的，就是说，数组一旦声明了，长度（容量）就是固定的，不能像某些东西一样伸缩自如。这就很麻烦，数组一旦装满了，就不能添加新的元素进来了。
ArrayList 不想像数组这样活着，它想能屈能伸，所以它实现了动态扩容。一旦在添加元素的时候，发现容量用满了 s == elementData.length，就按照原来数组的 1.5 倍（oldCapacity >> 1）进行扩容。扩容之后，再将原有的数组复制到新分配的内存地址上 Arrays.copyOf(elementData, newCapacity)。
private void add(E e, Object[] elementData, int s) {
if (s == elementData.length)
elementData = grow();
elementData[s] = e;
size = s + 1;
}
private Object[] grow() {
return grow(size + 1);
}
private Object[] grow(int minCapacity) {
int oldCapacity = elementData.length;
if (oldCapacity > 0 || elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
int newCapacity = ArraysSupport.newLength(oldCapacity,
minCapacity - oldCapacity, /* minimum growth */
oldCapacity >> 1 /* preferred growth */);
return elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
} else {
return elementData = new Object[Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity)];
}
}
动态扩容意味着什么？大家伙想一下。嗯，还是我来告诉大家答案吧，有点迫不及待。
意味着数组的实际大小可能永远无法被填满的，总有多余出来空置的内存空间。
比如说，默认的数组大小是 10，当添加第 11 个元素的时候，数组的长度扩容了 1.5 倍，也就是 15，意味着还有 4 个内存空间是闲置的，对吧？
序列化的时候，如果把整个数组都序列化的话，是不是就多序列化了 4 个内存空间。当存储的元素数量非常非常多的时候，闲置的空间就非常非常大，序列化耗费的时间就会非常非常多。
于是，ArrayList 做了一个愉快而又聪明的决定，内部提供了两个私有方法 writeObject 和 readObject 来完成序列化和反序列化。
private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
throws java.io.IOException {
// Write out element count, and any hidden stuff
int expectedModCount = modCount;
s.defaultWriteObject();
// Write out size as capacity for behavioral compatibility with clone()
s.writeInt(size);
// Write out all elements in the proper order.
for (int i=0; i s.writeObject(elementData[i]);
}
if (modCount != expectedModCount) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
从 writeObject 方法的源码中可以看得出，它使用了 ArrayList 的实际大小 size 而不是数组的长度（elementData.length）来作为元素的上限进行序列化。
此处应该有掌声啊！不是为我，为 Java 源码的作者们，他们真的是太厉害了，可以用两个词来形容他们——殚精竭虑、精益求精。
02、LinkedList 是如何实现的？
LinkedList 是一个继承自 AbstractSequentialList 的双向链表，因此它也可以被当作堆栈、队列或双端队列进行操作。
public class LinkedList<E>
extends AbstractSequentialList<E>
implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable
{
transient int size = 0;
transient Node first;
transient Node last;
}
LinkedList 内部定义了一个 Node 节点，它包含 3 个部分：元素内容 item，前引用 prev 和后引用 next。代码如下所示：
private static class Node<E> {
E item;
LinkedList.Node next;
LinkedList.Node prev;
Node(LinkedList.Node prev, E element, LinkedList.Node next) {
this.item = element;
this.next = next;
this.prev = prev;
}
}
LinkedList 还实现了 Cloneable 接口，这表明 LinkedList 是支持拷贝的。
LinkedList 还实现了 Serializable 接口，这表明 LinkedList 是支持序列化的。眼睛雪亮的小伙伴可能又注意到了，LinkedList 中的关键字段 size、first、last 都使用了 transient 关键字修饰，这不又矛盾了吗？到底是想序列化还是不想序列化？
答案是 LinkedList 想按照自己的方式序列化，来看它自己实现的 writeObject() 方法：
private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
throws java.io.IOException {
// Write out any hidden serialization magic
s.defaultWriteObject();
// Write out size
s.writeInt(size);
// Write out all elements in the proper order.
for (LinkedList.Node x = first; x != null; x = x.next)
s.writeObject(x.item);
}
发现没？LinkedList 在序列化的时候只保留了元素的内容 item，并没有保留元素的前后引用。这样就节省了不少内存空间，对吧？
那有些小伙伴可能就疑惑了，只保留元素内容，不保留前后引用，那反序列化的时候怎么办？
private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
// Read in any hidden serialization magic
s.defaultReadObject();
// Read in size
int size = s.readInt();
// Read in all elements in the proper order.
for (int i = 0; i < size; i++)
linkLast((E)s.readObject());
}
void linkLast(E e) {
final LinkedList.Node l = last;
final LinkedList.Node newNode = new LinkedList.Node<>(l, e, null);
last = newNode;
if (l == null)
first = newNode;
else
l.next = newNode;
size++;
modCount++;
}
注意 for 循环中的 linkLast() 方法，它可以把链表重新链接起来，这样就恢复了链表序列化之前的顺序。很妙，对吧？
和 ArrayList 相比，LinkedList 没有实现 RandomAccess 接口，这是因为 LinkedList 存储数据的内存地址是不连续的，所以不支持随机访问。
03、ArrayList 和 LinkedList 新增元素时究竟谁快？
前面我们已经从多个维度了解了 ArrayList 和 LinkedList 的实现原理和各自的特点。那接下来，我们就来聊聊 ArrayList 和 LinkedList 在新增元素时究竟谁快？
1）ArrayList
ArrayList 新增元素有两种情况，一种是直接将元素添加到数组末尾，一种是将元素插入到指定位置。
添加到数组末尾的源码：
public boolean add(E e) {
modCount++;
add(e, elementData, size);
return true;
}
private void add(E e, Object[] elementData, int s) {
if (s == elementData.length)
elementData = grow();
elementData[s] = e;
size = s + 1;
}
很简单，先判断是否需要扩容，然后直接通过索引将元素添加到末尾。
插入到指定位置的源码：
public void add(int index, E element) {
rangeCheckForAdd(index);
modCount++;
final int s;
Object[] elementData;
if ((s = size) == (elementData = this.elementData).length)
elementData = grow();
System.arraycopy(elementData, index,
elementData, index + 1,
s - index);
elementData[index] = element;
size = s + 1;
}
先检查插入的位置是否在合理的范围之内，然后判断是否需要扩容，再把该位置以后的元素复制到新添加元素的位置之后，最后通过索引将元素添加到指定的位置。这种情况是非常伤的，性能会比较差。
2）LinkedList
LinkedList 新增元素也有两种情况，一种是直接将元素添加到队尾，一种是将元素插入到指定位置。
添加到队尾的源码：
public boolean add(E e) {
linkLast(e);
return true;
}
void linkLast(E e) {
final LinkedList.Node l = last;
final LinkedList.Node newNode = new LinkedList.Node<>(l, e, null);
last = newNode;
if (l == null)
first = newNode;
else
l.next = newNode;
size++;
modCount++;
}
先将队尾的节点 last 存放到临时变量 l 中（不是说不建议使用 I 作为变量名吗？Java 的作者们明知故犯啊），然后生成新的 Node 节点，并赋给 last，如果 l 为 null，说明是第一次添加，所以 first 为新的节点；否则将新的节点赋给之前 last 的 next。
插入到指定位置的源码：
public void add(int index, E element) {
checkPositionIndex(index);
if (index == size)
linkLast(element);
else
linkBefore(element, node(index));
}
LinkedList.Node node(int index) {
// assert isElementIndex(index);
if (index < (size >> 1)) {
LinkedList.Node x = first;
for (int i = 0; i < index; i++)
x = x.next;
return x;
} else {
LinkedList.Node x = last;
for (int i = size - 1; i > index; i--)
x = x.prev;
return x;
}
}
void linkBefore(E e, LinkedList.Node succ) {
// assert succ != null;
final LinkedList.Node pred = succ.prev;
final LinkedList.Node newNode = new LinkedList.Node<>(pred, e, succ);
succ.prev = newNode;
if (pred == null)
first = newNode;
else
pred.next = newNode;
size++;
modCount++;
}
先检查插入的位置是否在合理的范围之内，然后判断插入的位置是否是队尾，如果是，添加到队尾；否则执行 linkBefore() 方法。
在执行 linkBefore() 方法之前，会调用 node() 方法查找指定位置上的元素，这一步是需要遍历 LinkedList 的。如果插入的位置靠前前半段，就从队头开始往后找；否则从队尾往前找。也就是说，如果插入的位置越靠近 LinkedList 的中间位置，遍历所花费的时间就越多。
找到指定位置上的元素（succ）之后，就开始执行 linkBefore() 方法了，先将 succ 的前一个节点（prev）存放到临时变量 pred 中，然后生成新的 Node 节点（newNode），并将 succ 的前一个节点变更为 newNode，如果 pred 为 null，说明插入的是队头，所以 first 为新节点；否则将 pred 的后一个节点变更为 newNode。
经过源码分析以后，小伙伴们是不是在想：“好像 ArrayList 在新增元素的时候效率并不一定比 LinkedList 低啊！”
当两者的起始长度是一样的情况下：
如果是从集合的头部新增元素，ArrayList 花费的时间应该比 LinkedList 多，因为需要对头部以后的元素进行复制。
public class ArrayListTest {
public static void addFromHeaderTest(int num) {
ArrayList list = new ArrayList(num);
int i = 0;
long timeStart = System.currentTimeMillis();
while (i < num) {
list.add(0, i + "沉默王二");
i++;
}
long timeEnd = System.currentTimeMillis();
System.out.println("ArrayList从集合头部位置新增元素花费的时间" + (timeEnd - timeStart));
}
}
/**
* @author 微信搜「沉默王二」，回复关键字 PDF
*/
public class LinkedListTest {
public static void addFromHeaderTest(int num) {
LinkedList list = new LinkedList();
int i = 0;
long timeStart = System.currentTimeMillis();
while (i < num) {
list.addFirst(i + "沉默王二");
i++;
}
long timeEnd = System.currentTimeMillis();
System.out.println("LinkedList从集合头部位置新增元素花费的时间" + (timeEnd - timeStart));
}
}
num 为 10000，代码实测后的时间如下所示：
ArrayList从集合头部位置新增元素花费的时间595
LinkedList从集合头部位置新增元素花费的时间15
ArrayList 花费的时间比 LinkedList 要多很多。
如果是从集合的中间位置新增元素，ArrayList 花费的时间搞不好要比 LinkedList 少，因为 LinkedList 需要遍历。
public class ArrayListTest {
public static void addFromMidTest(int num) {
ArrayList list = new ArrayList(num);
int i = 0;
long timeStart = System.currentTimeMillis();
while (i < num) {
int temp = list.size();
list.add(temp / 2 + "沉默王二");
i++;
}
long timeEnd = System.currentTimeMillis();
System.out.println("ArrayList从集合中间位置新增元素花费的时间" + (timeEnd - timeStart));
}
}
public class LinkedListTest {
public static void addFromMidTest(int num) {
LinkedList list = new LinkedList();
int i = 0;
long timeStart = System.currentTimeMillis();
while (i < num) {
int temp = list.size();
list.add(temp / 2, i + "沉默王二");
i++;
}
long timeEnd = System.currentTimeMillis();
System.out.println("LinkedList从集合中间位置新增元素花费的时间" + (timeEnd - timeStart));
}
}
num 为 10000，代码实测后的时间如下所示：
ArrayList从集合中间位置新增元素花费的时间1
LinkedList从集合中间位置新增元素花费的时间101
ArrayList 花费的时间比 LinkedList 要少很多很多。
如果是从集合的尾部新增元素，ArrayList 花费的时间应该比 LinkedList 少，因为数组是一段连续的内存空间，也不需要复制数组；而链表需要创建新的对象，前后引用也要重新排列。
public class ArrayListTest {
public static void addFromTailTest(int num) {
ArrayList list = new ArrayList(num);
int i = 0;
long timeStart = System.currentTimeMillis();
while (i < num) {
list.add(i + "沉默王二");
i++;
}
long timeEnd = System.currentTimeMillis();
System.out.println("ArrayList从集合尾部位置新增元素花费的时间" + (timeEnd - timeStart));
}
}
public class LinkedListTest {
public static void addFromTailTest(int num) {
LinkedList list = new LinkedList();
int i = 0;
long timeStart = System.currentTimeMillis();
while (i < num) {
list.add(i + "沉默王二");
i++;
}
long timeEnd = System.currentTimeMillis();
System.out.println("LinkedList从集合尾部位置新增元素花费的时间" + (timeEnd - timeStart));
}
}
num 为 10000，代码实测后的时间如下所示：
ArrayList从集合尾部位置新增元素花费的时间69
LinkedList从集合尾部位置新增元素花费的时间193
ArrayList 花费的时间比 LinkedList 要少一些。
这样的结论和预期的是不是不太相符？ArrayList 在添加元素的时候如果不涉及到扩容，性能在两种情况下（中间位置新增元素、尾部新增元素）比 LinkedList 好很多，只有头部新增元素的时候比 LinkedList 差，因为数组复制的原因。
当然了，如果涉及到数组扩容的话，ArrayList 的性能就没那么可观了，因为扩容的时候也要复制数组。
04、ArrayList 和 LinkedList 删除元素时究竟谁快？
1）ArrayList
ArrayList 删除元素的时候，有两种方式，一种是直接删除元素（remove(Object)），需要直先遍历数组，找到元素对应的索引；一种是按照索引删除元素（remove(int)）。
public boolean remove(Object o) {
final Object[] es = elementData;
final int size = this.size;
int i = 0;
found: {
if (o == null) {
for (; i < size; i++)
if (es[i] == null)
break found;
} else {
for (; i < size; i++)
if (o.equals(es[i]))
break found;
}
return false;
}
fastRemove(es, i);
return true;
}
public E remove(int index) {
Objects.checkIndex(index, size);
final Object[] es = elementData;
@SuppressWarnings("unchecked") E oldValue = (E) es[index];
fastRemove(es, index);
return oldValue;
}
但从本质上讲，都是一样的，因为它们最后调用的都是 fastRemove(Object, int) 方法。
private void fastRemove(Object[] es, int i) {
modCount++;
final int newSize;
if ((newSize = size - 1) > i)
System.arraycopy(es, i + 1, es, i, newSize - i);
es[size = newSize] = null;
}
从源码可以看得出，只要删除的不是最后一个元素，都需要数组重组。删除的元素位置越靠前，代价就越大。
2）LinkedList
LinkedList 删除元素的时候，有四种常用的方式：
remove(int)，删除指定位置上的元素
public E remove(int index) {
checkElementIndex(index);
return unlink(node(index));
}
先检查索引，再调用 node(int) 方法（ 前后半段遍历，和新增元素操作一样）找到节点 Node，然后调用 unlink(Node) 解除节点的前后引用，同时更新前节点的后引用和后节点的前引用：
E unlink(Node x) {
// assert x != null;
final E element = x.item;
final Node next = x.next;
final Node prev = x.prev;
if (prev == null) {
first = next;
} else {
prev.next = next;
x.prev = null;
}
if (next == null) {
last = prev;
} else {
next.prev = prev;
x.next = null;
}
x.item = null;
size--;
modCount++;
return element;
}
remove(Object)，直接删除元素
public boolean remove(Object o) {
if (o == null) {
for (LinkedList.Node x = first; x != null; x = x.next) {
if (x.item == null) {
unlink(x);
return true;
}
}
} else {
for (LinkedList.Node x = first; x != null; x = x.next) {
if (o.equals(x.item)) {
unlink(x);
return true;
}
}
}
return false;
}
也是先前后半段遍历，找到要删除的元素后调用 unlink(Node)。
removeFirst()，删除第一个节点
public E removeFirst() {
final LinkedList.Node f = first;
if (f == null)
throw new NoSuchElementException();
return unlinkFirst(f);
}
private E unlinkFirst(LinkedList.Node f) {
// assert f == first && f != null;
final E element = f.item;
final LinkedList.Node next = f.next;
f.item = null;
f.next = null; // help GC
first = next;
if (next == null)
last = null;
else
next.prev = null;
size--;
modCount++;
return element;
}
删除第一个节点就不需要遍历了，只需要把第二个节点更新为第一个节点即可。
removeLast()，删除最后一个节点
删除最后一个节点和删除第一个节点类似，只需要把倒数第二个节点更新为最后一个节点即可。
可以看得出，LinkedList 在删除比较靠前和比较靠后的元素时，非常高效，但如果删除的是中间位置的元素，效率就比较低了。
这里就不再做代码测试了，感兴趣的小伙伴可以自己试试，结果和新增元素保持一致：
从集合头部删除元素时，ArrayList 花费的时间比 LinkedList 多很多；
从集合中间位置删除元素时，ArrayList 花费的时间比 LinkedList 少很多；
从集合尾部删除元素时，ArrayList 花费的时间比 LinkedList 少一点。
我本地的统计结果如下所示，小伙伴们可以作为参考：
ArrayList从集合头部位置删除元素花费的时间380
LinkedList从集合头部位置删除元素花费的时间4
ArrayList从集合中间位置删除元素花费的时间381
LinkedList从集合中间位置删除元素花费的时间5922
ArrayList从集合尾部位置删除元素花费的时间8
LinkedList从集合尾部位置删除元素花费的时间12
05、ArrayList 和 LinkedList 遍历元素时究竟谁快？
1）ArrayList
遍历 ArrayList 找到某个元素的话，通常有两种形式：
get(int)，根据索引找元素
public E get(int index) {
Objects.checkIndex(index, size);
return elementData(index);
}
由于 ArrayList 是由数组实现的，所以根据索引找元素非常的快，一步到位。
indexOf(Object)，根据元素找索引
public int indexOf(Object o) {
return indexOfRange(o, 0, size);
}
int indexOfRange(Object o, int start, int end) {
Object[] es = elementData;
if (o == null) {
for (int i = start; i < end; i++) {
if (es[i] == null) {
return i;
}
}
} else {
for (int i = start; i < end; i++) {
if (o.equals(es[i])) {
return i;
}
}
}
return -1;
}
根据元素找索引的话，就需要遍历整个数组了，从头到尾依次找。
2）LinkedList
遍历 LinkedList 找到某个元素的话，通常也有两种形式：
get(int)，找指定位置上的元素
public E get(int index) {
checkElementIndex(index);
return node(index).item;
}
既然需要调用 node(int) 方法，就意味着需要前后半段遍历了。
indexOf(Object)，找元素所在的位置
public int indexOf(Object o) {
int index = 0;
if (o == null) {
for (LinkedList.Node x = first; x != null; x = x.next) {
if (x.item == null)
return index;
index++;
}
} else {
for (LinkedList.Node x = first; x != null; x = x.next) {
if (o.equals(x.item))
return index;
index++;
}
}
return -1;
}
需要遍历整个链表，和 ArrayList 的 indexOf() 类似。
那在我们对集合遍历的时候，通常有两种做法，一种是使用 for 循环，一种是使用迭代器（Iterator）。
如果使用的是 for 循环，可想而知 LinkedList 在 get 的时候性能会非常差，因为每一次外层的 for 循环，都要执行一次 node(int) 方法进行前后半段的遍历。
LinkedList.Node node(int index) {
// assert isElementIndex(index);
if (index < (size >> 1)) {
LinkedList.Node x = first;
for (int i = 0; i < index; i++)
x = x.next;
return x;
} else {
LinkedList.Node x = last;
for (int i = size - 1; i > index; i--)
x = x.prev;
return x;
}
}
那如果使用的是迭代器呢？
LinkedList list = new LinkedList();
for (Iterator it = list.iterator(); it.hasNext();) {
it.next();
}
迭代器只会调用一次 node(int) 方法，在执行 list.iterator() 的时候：先调用 AbstractSequentialList 类的 iterator() 方法，再调用 AbstractList 类的 listIterator() 方法，再调用 LinkedList 类的 listIterator(int) 方法，如下图所示。
最后返回的是 LinkedList 类的内部私有类 ListItr 对象：
public ListIterator listIterator(int index) {
checkPositionIndex(index);
return new LinkedList.ListItr(index);
}
private class ListItr implements ListIterator<E> {
private LinkedList.Node lastReturned;
private LinkedList.Node next;
private int nextIndex;
private int expectedModCount = modCount;
ListItr(int index) {
// assert isPositionIndex(index);
next = (index == size) ? null : node(index);
nextIndex = index;
}
public boolean hasNext() {
return nextIndex < size;
}
public E next() {
checkForComodification();
if (!hasNext())
throw new NoSuchElementException();
lastReturned = next;
next = next.next;
nextIndex++;
return lastReturned.item;
}
}
执行 ListItr 的构造方法时调用了一次 node(int) 方法，返回第一个节点。在此之后，迭代器就执行 hasNext() 判断有没有下一个，执行 next() 方法下一个节点。
由此，可以得出这样的结论：遍历 LinkedList 的时候，千万不要使用 for 循环，要使用迭代器。
也就是说，for 循环遍历的时候，ArrayList 花费的时间远小于 LinkedList；迭代器遍历的时候，两者性能差不多。
06、总结
花了两天时间，终于肝完了！相信看完这篇文章后，再有面试官问你 ArrayList 和 LinkedList 有什么区别的话，你一定会胸有成竹地和他扯上半小时了。
这是《Java 程序员进阶之路》专栏的第 61 篇。Java 程序员进阶之路，风趣幽默、通俗易懂，对 Java 初学者极度友好和舒适😘，内容包括但不限于 Java 语法、Java 集合框架、Java IO、Java 并发编程、Java 虚拟机等核心知识点。
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