【Java】ArrayList和LinkedList使用不当，性能差距会如此之大！

不念不忘少年蓝@ 2024-02-18 12:13 48阅读 0赞

#### 文章目录 ####

*  前言
 *  源码分析
 *   *  ArrayList
     *   *  基本属性
         *  初始化
         *  新增元素
         *  删除元素
         *  遍历元素
     *  LinkedList
     *   *  实现类
         *  基本属性
         *  节点查询
         *  新增元素
         *  删除元素
         *  遍历元素
 *  分析测试

## 前言 ##

在面试的时候，经常会被问到几个问题：

*  ArrayList和LinkedList的区别，相信大部分朋友都能回答上：
    
     *  ArrayList是基于数组实现，LinkedList是基于链表实现
     *  当随机访问List时，ArrayList比LinkedList的效率更高，等等
 *  当被问到ArrayList和LinkedList的使用场景是什么时，大部分朋友的答案可能是：
    
     *  ArrayList和LinkedList在新增、删除元素时，LinkedList的效率要高于 ArrayList，而在遍历的时候，ArrayList的效率要高于LinkedList

那这个回答是否准确呢？今天我们就来研究研究！  
从源码角度解析ArrayList.subList的几个坑  
我们先来简单介绍下ArrayList和LinkedList的原理实现！

## 源码分析 ##

### ArrayList ###

实现类

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
            implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable

ArrayList实现了List接口，继承了AbstractList抽象类，底层是数组实现的，并且实现了自增扩容数组大小。

ArrayList还实现了Cloneable接口和Serializable接口，所以他可以实现克隆和序列化。

ArrayList还实现了RandomAccess接口，这个接口是一个标志接口，他标志着“只要实现该接口的List类，都能实现快速随机访问”。

#### 基本属性 ####

ArrayList属性主要由数组长度size、对象数组elementData、初始化容量default\_capacity等组成， 其中初始化容量默认大小为10。

//默认初始化容量
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
    //对象数组
    transient Object[] elementData; 
    //数组长度
    private int size;

从ArrayList属性来看，elementData被关键字transient修饰了，transient关键字修饰该字段则表示该属性不会被序列化。

但ArrayList其实是实现了序列化接口，这是为什么呢？

由于ArrayList的数组是基于动态扩增的，所以并不是所有被分配的内存空间都存储了数据。  
如果采用外部序列化法实现数组的序列化，会序列化整个数组，ArrayList为了避免这些没有存储数据的内存空间被序列化，内部提供了两个私有方法writeObject以及readObject来自我完成序列化与反序列化，从而在序列化与反序列化数组时节省了空间和时间。  
因此使用transient修饰数组，是防止对象数组被其他外部方法序列化。  
ArrayList自定义序列化方法如下：  
![在这里插入图片描述][2eff2dfe703e4337a4ac8ce3635de1e6.png]

#### 初始化 ####

有三种初始化办法：无参数直接初始化、指定大小初始化、指定初始数据初始化，源码如下：  
![在这里插入图片描述][a9b7d6cd5bae4a96bf7bbc29df9d2314.png]

当ArrayList新增元素时，如果所存储的元素已经超过其已有大小，它会计算元素大小后再进行动态扩容，数组的扩容会导致整个数组进行一次内存复制。

因此，我们在初始化ArrayList时，可以通过第一个构造函数合理指定数组初始大小，这样有助于减少数组的扩容次数，从而提高系统性能。

注意点：

ArrayList 无参构造器初始化时，默认大小是空数组，并不是大家常说的 10，10 是在第一次 add 的时候扩容的数组值。

#### 新增元素 ####

ArrayList新增元素的方法有两种，一种是直接将元素加到数组的末尾，另外一种是添加元素到任意位置。

public boolean add(E e) {
        
            ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
            elementData[size++] = e;
            return true;
        }
    
        public void add(int index, E element) {
        
            rangeCheckForAdd(index);
    
            ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
            System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                             size - index);
            elementData[index] = element;
            size++;
        }

两个方法的相同之处是在添加元素之前，都会先确认容量大小，如果容量够大，就不用进行扩容；如果容量不够大，就会按照原来数组的1.5倍大小进行扩容，在扩容之后需要将数组复制到新分配的内存地址。  
下面是具体的源码：  
![在这里插入图片描述][940e9be0f6024ebe88bbfa743aa56aa1.png]

这两个方法也有不同之处，添加元素到任意位置，会导致在该位置后的所有元素都需要重新排列，而将元素添加到数组的末尾，在没有发生扩容的前提下，是不会有元素复制排序过程的。

所以ArrayList在大量新增元素的场景下效率不一定就很慢的

如果我们在初始化时就比较清楚存储数据的大小，就可以在ArrayList初始化时指定数组容量大小，并且在添加元素时，只在数组末尾添加元素，那么ArrayList在大量新增元素的场景下，性能并不会变差，反而比其他List集合的性能要好。

#### 删除元素 ####

ArrayList 删除元素有很多种方式，比如根据数组索引删除、根据值删除或批量删除等等，原理和思路都差不多。  
ArrayList在每一次有效的删除元素操作之后，都要进行数组的重组，并且删除的元素位置越靠前，数组重组的开销就越大。  
我们选取根据值删除方式来进行源码说明：  
![在这里插入图片描述][217d13467ea2481b9c2ec9659e66f9fc.png]

#### 遍历元素 ####

由于ArrayList是基于数组实现的，所以在获取元素的时候是非常快捷的。

public E get(int index) {
        
            rangeCheck(index);
    
            return elementData(index);
        }
    
        E elementData(int index) {
        
            return (E) elementData[index];
        }

### LinkedList ###

LinkedList是基于双向链表数据结构实现的。  
这个双向链表结构，链表中的每个节点都可以向前或者向后追溯，有几个概念如下：

*  链表每个节点我们叫做 Node，Node 有 prev 属性，代表前一个节点的位置，next 属性，代表后一个节点的位置；
 *  first 是双向链表的头节点，它的前一个节点是 null。
 *  last 是双向链表的尾节点，它的后一个节点是 null；  
    当链表中没有数据时，first 和 last 是同一个节点，前后指向都是 null；
 *  因为是个双向链表，只要机器内存足够强大，是没有大小限制的。

Node结构中包含了3个部分：元素内容item、前指针prev以及后指针next，代码如下。

private static class Node<E> {
        
        E item;// 节点值
        Node<E> next; // 指向的下一个节点
        Node<E> prev; // 指向的前一个节点
    
        // 初始化参数顺序分别是：前一个节点、本身节点值、后一个节点
        Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
        
            this.item = element;
            this.next = next;
            this.prev = prev;
        }
    }

LinkedList就是由Node结构对象连接而成的一个双向链表。

#### 实现类 ####

LinkedList类实现了List接口、Deque接口，同时继承了AbstractSequentialList抽象类，LinkedList既实现了List类型又有Queue类型的特点；LinkedList也实现了Cloneable和Serializable接口，同ArrayList一样，可以实现克隆和序列化。  
由于LinkedList存储数据的内存地址是不连续的，而是通过指针来定位不连续地址，因此，LinkedList不支持随机快速访问，LinkedList也就不能实现RandomAccess接口。

public class LinkedList
        extends AbstractSequentialList
        implements List, Deque, Cloneable, java.io.Serializable

#### 基本属性 ####

transient int size = 0;
    transient Node first;
    transient Node last;

我们可以看到这三个属性都被transient修饰了，原因很简单，我们在序列化的时候不会只对头尾进行序列化，所以LinkedList也是自行实现readObject和writeObject进行序列化与反序列化。  
下面是LinkedList自定义序列化的方法。  
![在这里插入图片描述][792fc22253634457ab307826daedc5e3.png]

#### 节点查询 ####

链表查询某一个节点是比较慢的，需要挨个循环查找才行，我们看看 LinkedList 的源码是如何寻找节点的：  
![在这里插入图片描述][a5028f2c733741df8838a03fcc11c6e6.png]

LinkedList 并没有采用从头循环到尾的做法，而是采取了简单二分法，首先看看 index 是在链表的前半部分，还是后半部分。  
如果是前半部分，就从头开始寻找，反之亦然。通过这种方式，使循环的次数至少降低了一半，提高了查找的性能。

#### 新增元素 ####

LinkedList添加元素的实现很简洁，但添加的方式却有很多种。  
默认的add (Ee)方法是将添加的元素加到队尾，首先是将last元素置换到临时变量中，生成一个新的Node节点对象，然后将last引用指向新节点对象，之前的last对象的前指针指向新节点对象。  
![在这里插入图片描述][4da8e3aad2554e5cbf4bff21db9406bc.png]

LinkedList也有添加元素到任意位置的方法，如果我们是将元素添加到任意两个元素的中间位置，添加元素操作只会改变前后元素的前后指针，指针将会指向添加的新元素，所以相比ArrayList的添加操作来说，LinkedList的性能优势明显。  
![在这里插入图片描述][e8712b92bdfc4bfeac616be48bce3630.png]

#### 删除元素 ####

在LinkedList删除元素的操作中，我们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，就从前往后找；若其位置处于后半段，就从后往前找。  
这样做的话，无论要删除较为靠前或较为靠后的元素都是非常高效的，但如果List拥有大量元素，移除的元素又在List的中间段，那效率相对来说会很低。

#### 遍历元素 ####

LinkedList的获取元素操作实现跟LinkedList的删除元素操作基本类似，通过分前后半段来循环查找到对应的元素，但是通过这种方式来查询元素是非常低效的，特别是在for循环遍历的情况下，每一次循环都会去遍历半个List。  
所以在LinkedList循环遍历时，我们可以使用iterator方式迭代循环，直接拿到我们的元素，而不需要通过循环查找List。  
分析测试  
新增元素操作性能测试  
测试用例源代码：

ArrayList：paste.ubuntu.com/p/gktBvjgMG…
    LinkedList：paste.ubuntu.com/p/3jQrY2XMP…

## 分析测试 ##

![在这里插入图片描述][a322acb00b174bc1a67f3351a9c2ee23.png]  
测试结果  
![在这里插入图片描述][99b367f3eccb4ce18bc8d6857a887574.png]

操作花费时间从集合头部位置添加元素（ArrayList）550从集合头部位置添加元素（LinkedList）34从集合中间位置位置添加元素（ArrayList）32从集合中间位置位置添加元素（LinkedList）58746从集合尾部位置添加元素（ArrayList）29从集合尾部位置添加元素（LinkedList）31  
通过这组测试，我们可以知道LinkedList添加元素的效率未必要高于ArrayList。

从集合头部位置添加元素

由于ArrayList是数组实现的，在添加元素到数组头部的时候，需要对头部以后的数据进行复制重排，所以效率很低；  
LinkedList是基于链表实现，在添加元素的时候，首先会通过循环查找到添加元素的位置，如果要添加的位置处于List的前半段，就从前往后找；若其位置处于后半段，就从后往前找，因此LinkedList添加元素到头部是非常高效的。

从集合中间位置位置添加元素

ArrayList在添加元素到数组中间时，同样有部分数据需要复制重排，效率也不是很高；  
LinkedList将元素添加到中间位置，是添加元素最低效率的，因为靠近中间位置，在添加元素之前的循环查找是遍历元素最多的操作。

从集合尾部位置添加元素

而在添加元素到尾部的操作中，在没有扩容的情况下，ArrayList的效率要高于LinkedList。  
这是因为ArrayList在添加元素到尾部的时候，不需要复制重排数据，效率非常高。  
LinkedList虽然也不用循环查找元素，但LinkedList中多了new对象以及变换指针指向对象的过程，所以效率要低于ArrayList。

注意：这是排除动态扩容数组容量的情况下进行的测试，如果有动态扩容的情况，ArrayList的效率也会降低。

删除元素操作性能测试  
ArrayList和LinkedList删除元素操作测试的结果和添加元素操作测试的结果很接近！  
结论： 如果需要在List的头部进行大量的插入、删除操作，那么直接选择LinkedList。否则，ArrayList即可。  
遍历元素操作性能测试  
测试用例源代码：

![在这里插入图片描述][61456ec398814c57a0eabeeafc1daa3b.png]

测试结果：

![在这里插入图片描述][f5da2dbee86c4d1f9b1fe9f311a21bc6.png]

操作花费时间for循环（ArrayList）3for循环（LinkedList）17557迭代器循环（ArrayList）4迭代器循环（LinkedList）4  
我们可以看到，LinkedList的for循环性能是最差的，而ArrayList的for循环性能是最好的。  
这是因为LinkedList基于链表实现的，在使用for循环的时候，每一次for循环都会去遍历半个List，所以严重影响了遍历的效率；ArrayList则是基于数组实现的，并且实现了RandomAccess接口标志，意味着ArrayList可以实现快速随机访问，所以for循环效率非常高。  
LinkedList的迭代循环遍历和ArrayList的迭代循环遍历性能相当，也不会太差，所以在遍历LinkedList时，我们要切忌使用for循环遍历。

[2eff2dfe703e4337a4ac8ce3635de1e6.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/02/18/6e9eeb522fae4192819c03e1057e9ddf.png
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