ArrayList与LinkedList的区别以及JDK11中的底层实现

1 概述

本文主要讲述了ArrayListLinkedList的相同以及不同之处,以及两者的底层实现(环境OpenJDK 11.0.12)。

2 两者区别

在详细介绍两者的底层实现之前,先来简单看一下两者的异同。

2.1 相同点

  • 两者都实现了List接口,都继承了AbstractListLinkedList间接继承,ArrayList直接继承)
  • 都是线程不安全的,两者都是不同步的
  • 都具有增删查改方法

2.2 不同点

  • 底层数据结构不同:ArrayList基于Object[]数组,LinkedList基于LinkedList.Node双向链表
  • 随机访问效率不同:ArrayList随机访问能做到O(1)(实现 RandomAccess),因为可以直接通过下标找到元素,而LinkedList需要从头指针开始遍历,时间O(n)
  • 初始化操作不同:ArrayList无参初始化时初始化为一个空数组,而LinkedList不需要
  • 扩容:ArrayList当长度不足以容纳新元素的时候,会进行扩容,而LinkedList不会
  • 内存空间占用:ArrayList的内存空间占用主要体现在数组结尾会预留一定容量空间,而LinkedList空间花费主要体现在每一个元素都需要消耗比ArrayList更多的空间

3 ArrayList底层

3.1 基本结构

底层使用Object[]数组实现,成员变量如下:

private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = new Object[0];
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = new Object[0];
transient Object[] elementData;
private int size;
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = 2147483639;

默认的初始化容量为10,接下来是两个空数组,供默认构造方法以及带初始化容量的构造方法使用:

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

        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
}

public ArrayList() {
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

下面再来看一些重要方法,包括:

  • add()
  • remove()
  • indexOf()/lastIndexOf()/contains()

3.2 add()

add()方法有四个:

  • add(E e)
  • add(int index,E e)
  • addAll(Collection<? extends E> c)
  • addAll(int index, Collection<? extends E> c

3.2.1 单一元素add()

先来看一下add(E e)以及add(int index,E eelment)

private void add(E e, Object[] elementData, int s) {
    if (s == elementData.length) {
        elementData = this.grow();
    }

    elementData[s] = e;
    this.size = s + 1;
}

public boolean add(E e) {
    ++this.modCount;
    this.add(e, this.elementData, this.size);
    return true;
}

public void add(int index, E element) {
    this.rangeCheckForAdd(index);
    ++this.modCount;
    int s;
    Object[] elementData;
    if ((s = this.size) == (elementData = this.elementData).length) {
        elementData = this.grow();
    }

    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, s - index);
    elementData[index] = element;
    this.size = s + 1;
}

add(E e)实际调用的是一个私有方法,判断是否需要扩容之后,直接添加到末尾。而add(int index,E element)会首先检查下标是否合法,合法的话,再判断是否需要扩容,之后调用System.arraycopy对数组进行复制,最后进行赋值并将长度加1。

关于System.arraycopy,官方文档如下:

在这里插入图片描述

一共有5个参数:

  • 第一个参数:原数组
  • 第二个参数:原数组需要开始复制的位置
  • 第三个参数:目标数组
  • 第四个参数:复制到目标数组的开始位置
  • 第五个参数:需要复制的数目

也就是说:

System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, s - index);

的作用是将原数组在index后面的元素“往后挪”,空出一个位置让index进行插入。

3.2.2 addAll()

下面来看一下两个addAll()

public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
    Object[] a = c.toArray();
    ++this.modCount;
    int numNew = a.length;
    if (numNew == 0) {
        return false;
    } else {
        Object[] elementData;
        int s;
        if (numNew > (elementData = this.elementData).length - (s = this.size)) {
            elementData = this.grow(s + numNew);
        }

        System.arraycopy(a, 0, elementData, s, numNew);
        this.size = s + numNew;
        return true;
    }
}

public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
    this.rangeCheckForAdd(index);
    Object[] a = c.toArray();
    ++this.modCount;
    int numNew = a.length;
    if (numNew == 0) {
        return false;
    } else {
        Object[] elementData;
        int s;
        if (numNew > (elementData = this.elementData).length - (s = this.size)) {
            elementData = this.grow(s + numNew);
        }

        int numMoved = s - index;
        if (numMoved > 0) {
            System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew, numMoved);
        }

        System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);
        this.size = s + numNew;
        return true;
    }
}

在第一个addAll中,首先判断是否需要扩容,接着也是直接调用目标集合添加到尾部。而在第二个addAll中,由于多了一个下标参数,处理步骤稍微多了一点:

  • 首先判断下标是否合法
  • 接着判断是否需要扩容
  • 再计算是否需要把原来的数组元素“往后挪”,也就是if里面的System.arraycopy
  • 最后把目标数组复制到指定的index位置

3.2.3 扩容

上面的add()方法都涉及到了扩容,也就是grow方法,下面来看一下:

private Object[] grow(int minCapacity) {
    return this.elementData = Arrays.copyOf(this.elementData, this.newCapacity(minCapacity));
}

private Object[] grow() {
    return this.grow(this.size + 1);
}

private int newCapacity(int minCapacity) {
    int oldCapacity = this.elementData.length;
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    if (newCapacity - minCapacity <= 0) {
        if (this.elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
            return Math.max(10, minCapacity);
        } else if (minCapacity < 0) {
            throw new OutOfMemoryError();
        } else {
            return minCapacity;
        }
    } else {
        return newCapacity - 2147483639 <= 0 ? newCapacity : hugeCapacity(minCapacity);
    }
}

private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
    if (minCapacity < 0) {
        throw new OutOfMemoryError();
    } else {
        return minCapacity > 2147483639 ? 2147483647 : 2147483639;
    }
}

grow()首先通过newCapacity计算需要扩容的容量,接着调用Arrays.copyOf将旧元素复制过去,并将返回值覆盖到原来的数组。而在newCapacity中,有两个变量:

  • newCapacity:新的容量,默认是旧容量的1.5倍,也就是默认扩容1.5倍
  • minCapacity:最低需要的容量

如果最低容量大于等于新容量,则是如下情况之一:

  • 通过默认构造初始化的数组:返回minCapacity与10的最大值
  • 溢出:直接抛OOM
  • 否则返回最小容量值

如果不是,则判断新容量是否达到最大值(这里有点好奇为什么不用MAX_ARRAY_SIZE,猜测是反编译的问题),如果没有到达最大值,则返回新容量,如果到达了最大值,调用hugeCapacity

hugeCapacity同样会首先判断最小容量是否小于0,小于则抛OOM,否则将其与最大值(MAX_ARRAY_SIZE)判断,如果大于返回Integer.MAX_VALUE,否则返回MAX_ARRAY_SIZE

3.3 remove()

remove()包含四个方法:

  • remove(int index)
  • remove(Object o)
  • removeAll()
  • removeIf()

3.3.1 单一元素remove()

也就是remove(int index)以及remove(Object o)

public E remove(int index) {
    Objects.checkIndex(index, this.size);
    Object[] es = this.elementData;
    E oldValue = es[index];
    this.fastRemove(es, index);
    return oldValue;
}

public boolean remove(Object o) {
    Object[] es = this.elementData;
    int size = this.size;
    int i = 0;
    if (o == null) {
        while(true) {
            if (i >= size) {
                return false;
            }

            if (es[i] == null) {
                break;
            }

            ++i;
        }
    } else {
        while(true) {
            if (i >= size) {
                return false;
            }

            if (o.equals(es[i])) {
                break;
            }

            ++i;
        }
    }

    this.fastRemove(es, i);
    return true;
}

其中remove(int index)的逻辑比较简单,先检查下标合法性,然后保存需要remove的值,并调用fastRemove()进行移除,而在remove(Object o)中,直接对数组进行遍历,并判断是否存在对应的元素,如果不存在直接返回false,如果存在,调用fastRemove(),并返回true

下面看一下fastRemove()

private void fastRemove(Object[] es, int i) {
    ++this.modCount;
    int newSize;
    if ((newSize = this.size - 1) > i) {
        System.arraycopy(es, i + 1, es, i, newSize - i);
    }

    es[this.size = newSize] = null;
}

首先修改次数加1,然后将数组长度减1,并判断新长度是否是最后一个,如果是最后一个则不需要移动,如果不是,调用System.arraycopy将数组向前“挪”1位,最后将末尾多出来的一个值置为null

3.3.2 removeAll()

public boolean removeAll(Collection<?> c) {
    return this.batchRemove(c, false, 0, this.size);
}

boolean batchRemove(Collection<?> c, boolean complement, int from, int end) {
    Objects.requireNonNull(c);
    Object[] es = this.elementData;

    for(int r = from; r != end; ++r) {
        if (c.contains(es[r]) != complement) {
            int w = r++;

            try {
                for(; r < end; ++r) {
                    Object e;
                    if (c.contains(e = es[r]) == complement) {
                        es[w++] = e;
                    }
                }
            } catch (Throwable var12) {
                System.arraycopy(es, r, es, w, end - r);
                w += end - r;
                throw var12;
            } finally {
                this.modCount += end - w;
                this.shiftTailOverGap(es, w, end);
            }

            return true;
        }
    }

    return false;
}

removeAll实际上调用的是batchRemove(),在batchRemove()中,有四个参数,含义如下:

  • Collection<?> c:目标集合
  • boolean complement:如果取值true,表示保留数组中包含在目标集合c中的元素,如果为false,表示删除数组中包含在目标集合c中的元素
  • from/end:区间范围,左闭右开

所以传递的(c,false,0,this.size)表示删除数组里面在目标集合c中的元素。下面简单说一下执行步骤:

  • 首先进行判空操作
  • 接着找到第一符合要求的元素(这里是找到第一个需要删除的元素)
  • 找到后从该元素开始继续向后查找,同时记录删除后的数组中最后一个元素的下标w
  • try/catch是一种保护性行为,因为contains()AbstractCollection的实现中,会使用Iterator,这里catch异常后仍然调用System.arraycopy,使得已经处理的元素“挪到”前面
  • 最后会增加修改的次数,并调用shiftTailOverGap,该方法在后面会详解

3.3.3 removeIf()

public boolean removeIf(Predicate<? super E> filter) {
    return this.removeIf(filter, 0, this.size);
}

boolean removeIf(Predicate<? super E> filter, int i, int end) {
    Objects.requireNonNull(filter);
    int expectedModCount = this.modCount;

    Object[] es;
    for(es = this.elementData; i < end && !filter.test(elementAt(es, i)); ++i) {
    }

    if (i < end) {
        int beg = i;
        long[] deathRow = nBits(end - i);
        deathRow[0] = 1L;
        ++i;

        for(; i < end; ++i) {
            if (filter.test(elementAt(es, i))) {
                setBit(deathRow, i - beg);
            }
        }

        if (this.modCount != expectedModCount) {
            throw new ConcurrentModificationException();
        } else {
            ++this.modCount;
            int w = beg;

            for(i = beg; i < end; ++i) {
                if (isClear(deathRow, i - beg)) {
                    es[w++] = es[i];
                }
            }

            this.shiftTailOverGap(es, w, end);
            return true;
        }
    } else if (this.modCount != expectedModCount) {
        throw new ConcurrentModificationException();
    } else {
        return false;
    }
}

removeIf中,删除符合条件的元素,首先会进行判空操作,然后找到第一个符合条件的元素下标,如果找不到(i>=end),判断是否有并发操作问题,没有的话返回false,如果i<end,也就是正式进入删除流程:

  • 记录开始下标beg
  • deathRow是一个标记数组,长度为(end-i-1)>>6 + 1,从beg开始如果遇到符合条件的元素就对下标进行标记(调用setBit
  • 标记后进行删除,所谓的删除其实就是把后面不符合条件的元素逐个移动到beg之后的位置上
  • 调用shiftTailOverGap处理末尾的元素
  • 返回true,表示存在符合条件的元素并进行了删除操作

3.3.4 shiftTailOverGap()

上面的removeAll()以及removeIf()都涉及到了shiftTailOverGap(),下面来看一下实现:

private void shiftTailOverGap(Object[] es, int lo, int hi) {
    System.arraycopy(es, hi, es, lo, this.size - hi);
    int to = this.size;

    for(int i = this.size -= hi - lo; i < to; ++i) {
        es[i] = null;
    }

}

该方法将es数组中的元素向前移动hi-lo位,并将移动之后的在末尾多出来的那部分元素置为null

3.4 indexOf()系列

包括:

  • indexOf()
  • lastIndexOf()
  • contains()

3.4.1 indexOf

public int indexOf(Object o) {
    return this.indexOfRange(o, 0, this.size);
}

int indexOfRange(Object o, int start, int end) {
    Object[] es = this.elementData;
    int i;
    if (o == null) {
        for(i = start; i < end; ++i) {
            if (es[i] == null) {
                return i;
            }
        }
    } else {
        for(i = start; i < end; ++i) {
            if (o.equals(es[i])) {
                return i;
            }
        }
    }

    return -1;
}

indexOf()实际上是一个包装好的方法,会调用内部的indexOfRange()进行查找,逻辑很简单,首先判断需要查找的值是否为空,如果不为空,使用equals()判断,否则使用==判断,找到就返回下标,否则返回-1

3.4.2 contains()

contains()实际上是indexOf()的包装:

public boolean contains(Object o) {
    return this.indexOf(o) >= 0;
}

调用indexOf()方法,根据返回的下标判断是否大于等于0,如果是则返回存在,否则返回不存在。

3.4.3 lastIndexOf()

lastIndexOf()实现与indexOf()类似,只不过是从尾部开始遍历,内部调用的是lastIndexOfRange()

public int lastIndexOf(Object o) {
    return this.lastIndexOfRange(o, 0, this.size);
}

int lastIndexOfRange(Object o, int start, int end) {
    Object[] es = this.elementData;
    int i;
    if (o == null) {
        for(i = end - 1; i >= start; --i) {
            if (es[i] == null) {
                return i;
            }
        }
    } else {
        for(i = end - 1; i >= start; --i) {
            if (o.equals(es[i])) {
                return i;
            }
        }
    }

    return -1;
}

4 LinkedList底层

4.1 基本结构

首先来看一下里面的成员变量:

transient int size;
transient LinkedList.Node<E> first;
transient LinkedList.Node<E> last;
private static final long serialVersionUID = 876323262645176354L;

一个表示长度,一个头指针和一个尾指针。

其中LinkedList.Node实现如下:

private static class Node<E> {
    E item;
    LinkedList.Node<E> next;
    LinkedList.Node<E> prev;

    Node(LinkedList.Node<E> prev, E element, LinkedList.Node<E> next) {
        this.item = element;
        this.next = next;
        this.prev = prev;
    }
}

可以看到LinkedList实际是基于双链表实现的。

下面再来看一些重要方法,包括:

  • add()
  • remove()
  • get()

4.2 add()

add()方法包括6个:

  • add(E e)
  • add(int index,E e)
  • addFirst(E e)
  • addLast(E e)
  • addAll(Collection<? extends E> c)
  • addAll(int index, Collection<? extends E> c)

4.2.1 linkFirst/linkLast/linkBefore实现的add()

先看一下比较简单的四个add()

public void addFirst(E e) {
    this.linkFirst(e);
}

public void addLast(E e) {
    this.linkLast(e);
}

public boolean add(E e) {
    this.linkLast(e);
    return true;
}

public void add(int index, E element) {
    this.checkPositionIndex(index);
    if (index == this.size) {
        this.linkLast(element);
    } else {
        this.linkBefore(element, this.node(index));
    }
}

可以看到,上面的四个add()不进行任何的添加元素操作,add()只是添加元素的封装,真正实现add操作的是linkLast()linkFirst()linkBefore(),这些方法顾名思义就是把元素链接到链表的末尾或者头部,或者链表某个节点的前面:

void linkLast(E e) {
    LinkedList.Node<E> l = this.last;
    LinkedList.Node<E> newNode = new LinkedList.Node(l, e, (LinkedList.Node)null);
    this.last = newNode;
    if (l == null) {
        this.first = newNode;
    } else {
        l.next = newNode;
    }

    ++this.size;
    ++this.modCount;
}

private void linkFirst(E e) {
    LinkedList.Node<E> f = this.first;
    LinkedList.Node<E> newNode = new LinkedList.Node((LinkedList.Node)null, e, f);
    this.first = newNode;
    if (f == null) {
        this.last = newNode;
    } else {
        f.prev = newNode;
    }

    ++this.size;
    ++this.modCount;
}

void linkBefore(E e, LinkedList.Node<E> succ) {
    LinkedList.Node<E> pred = succ.prev;
    LinkedList.Node<E> newNode = new LinkedList.Node(pred, e, succ);
    succ.prev = newNode;
    if (pred == null) {
        this.first = newNode;
    } else {
        pred.next = newNode;
    }

    ++this.size;
    ++this.modCount;
}

实现大体相同,一个是添加到尾部,一个是添加头部,一个是插入到前面。另外,三者在方法的最后都有如下操作:

++this.size;
++this.modCount;

第一个表示节点的个数加1,而第二个,则表示对链表的修改次数加1。

比如,在unlinkLast方法的最后,有如下代码:

--this.size;
++this.modCount;

unlinkLast操作就是移除最后一个节点,节点个数减1的同时,对链表的修改次数加1。

另一方面,通常来说链表插入操作需要找到链表的位置,但是在三个link方法里面,都看不到for循环找到插入位置的代码,这是为什么呢?

由于保存了头尾指针,linkFirst()以及linkLast()并不需要遍历找到插入的位置,但是对于linkBefore()来说,需要找到插入的位置,不过linkBefore()并没有类似“插入位置/插入下标”之类的参数,而是只有一个元素值以及一个后继节点。换句话说,这个后继节点就是通过循环得到的插入位置,比如,调用的代码如下:

this.linkBefore(element, this.node(index));

可以看到在this.node()中,传入了一个下标,并返回了一个后继节点,也就是遍历操作在该方法完成:

LinkedList.Node<E> node(int index) {
    LinkedList.Node x;
    int i;
    if (index < this.size >> 1) {
        x = this.first;

        for(i = 0; i < index; ++i) {
            x = x.next;
        }

        return x;
    } else {
        x = this.last;

        for(i = this.size - 1; i > index; --i) {
            x = x.prev;
        }

        return x;
    }
}

这里首先通过判断下标是位于“哪一边”,如果靠近头部,从头指针开始往后遍历,如果靠近尾部,从尾指针开始向后遍历。

4.2.2 遍历实现的addAll()

public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
    return this.addAll(this.size, c);
}

public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
    this.checkPositionIndex(index);
    Object[] a = c.toArray();
    int numNew = a.length;
    if (numNew == 0) {
        return false;
    } else {
        LinkedList.Node pred;
        LinkedList.Node succ;
        if (index == this.size) {
            succ = null;
            pred = this.last;
        } else {
            succ = this.node(index);
            pred = succ.prev;
        }

        Object[] var7 = a;
        int var8 = a.length;

        for(int var9 = 0; var9 < var8; ++var9) {
            Object o = var7[var9];
            LinkedList.Node<E> newNode = new LinkedList.Node(pred, o, (LinkedList.Node)null);
            if (pred == null) {
                this.first = newNode;
            } else {
                pred.next = newNode;
            }

            pred = newNode;
        }

        if (succ == null) {
            this.last = pred;
        } else {
            pred.next = succ;
            succ.prev = pred;
        }

        this.size += numNew;
        ++this.modCount;
        return true;
    }
}

首先可以看到两个addAll实际上调用的是同一个方法,步骤简述如下:

  • 首先通过checkPositionIndex判断下标是否合法
  • 接着把目标集合转为Object[]数组
  • 进行一些特判处理,判断index的范围是插入中间,还是在末尾插入
  • for循环遍历目标数组,并插入到链表中
  • 修改节点长度,并返回

4.3 remove()

add()类似,remove包括:

  • remove()
  • remove(int index)
  • remove(Object o)
  • removeFirst()
  • removeLast()
  • removeFirstOccurrence(Object o)
  • removeLastOccurrence(Object o)

当然其实还有两个removeAllremoveIf,但实际上是父类的方法,这里就不分析了。

4.3.1 unlinkFirst()/unlinkLast()实现的remove()

remove()removeFirst()removeLast()实际上是通过调用unlinkFirst()/unlinkLast()进行删除的,其中remove()只是removeFirst()的一个别名:

public E remove() {
    return this.removeFirst();
}

public E removeFirst() {
    LinkedList.Node<E> f = this.first;
    if (f == null) {
        throw new NoSuchElementException();
    } else {
        return this.unlinkFirst(f);
    }
}

public E removeLast() {
    LinkedList.Node<E> l = this.last;
    if (l == null) {
        throw new NoSuchElementException();
    } else {
        return this.unlinkLast(l);
    }
}

逻辑很简单,判空之后,调用unlinkFirst()/unlinkLast()

private E unlinkFirst(LinkedList.Node<E> f) {
    E element = f.item;
    LinkedList.Node<E> next = f.next;
    f.item = null;
    f.next = null;
    this.first = next;
    if (next == null) {
        this.last = null;
    } else {
        next.prev = null;
    }

    --this.size;
    ++this.modCount;
    return element;
}

private E unlinkLast(LinkedList.Node<E> l) {
    E element = l.item;
    LinkedList.Node<E> prev = l.prev;
    l.item = null;
    l.prev = null;
    this.last = prev;
    if (prev == null) {
        this.first = null;
    } else {
        prev.next = null;
    }

    --this.size;
    ++this.modCount;
    return element;
}

而在这两个unlink中,由于已经保存了头指针和尾指针的位置,因此两者可以直接在O(1)内进行移除操作,最后将节点长度减1,修改次数加1,并返回旧元素。

4.3.2 unlink()实现的remove()

再来看一下remove(int index)remove(Object o)removeFirstOccurrence(Object o)removeLastOccurrence(Object o)

public E remove(int index) {
    this.checkElementIndex(index);
    return this.unlink(this.node(index));
}

public boolean remove(Object o) {
    LinkedList.Node x;
    if (o == null) {
        for(x = this.first; x != null; x = x.next) {
            if (x.item == null) {
                this.unlink(x);
                return true;
            }
        }
    } else {
        for(x = this.first; x != null; x = x.next) {
            if (o.equals(x.item)) {
                this.unlink(x);
                return true;
            }
        }
    }

    return false;
}

public boolean removeFirstOccurrence(Object o) {
    return this.remove(o);
}

public boolean removeLastOccurrence(Object o) {
    LinkedList.Node x;
    if (o == null) {
        for(x = this.last; x != null; x = x.prev) {
            if (x.item == null) {
                this.unlink(x);
                return true;
            }
        }
    } else {
        for(x = this.last; x != null; x = x.prev) {
            if (o.equals(x.item)) {
                this.unlink(x);
                return true;
            }
        }
    }

    return false;
}

这几个方法实际上都是调用unlink去移除元素,其中removeFirstOccurrence(Object o)等价于remove(Object o),先说一下remove(int index),该方法逻辑比较简单,先检查下标合法性,再通过下标找到节点并进行unlnk

而在remove(Object o)中,需要首先对元素的值是否为null进行判断,两个循环实际上效果等价,会移除遇到的第一个与目标值相同的元素。在removeLastOccurrence(Object o)中,代码大体一致,只是remove(Object o)从头指针开始遍历,而removeLastOccurrence(Object o)从尾指针开始遍历。

可以看到,这几个remove方法实际上是找到要删除的节点,最后调用unlink()进行删除,下面看一下unlink()

E unlink(LinkedList.Node<E> x) {
    E element = x.item;
    LinkedList.Node<E> next = x.next;
    LinkedList.Node<E> prev = x.prev;
    if (prev == null) {
        this.first = next;
    } else {
        prev.next = next;
        x.prev = null;
    }

    if (next == null) {
        this.last = prev;
    } else {
        next.prev = prev;
        x.next = null;
    }

    x.item = null;
    --this.size;
    ++this.modCount;
    return element;
}

实现逻辑与unlinkFirst()/unlinkLast()类似,在O(1)内进行删除,里面只是一些比较简单的特判操作,最后将节点长度减1,并将修改次数加1,最后返回旧值。

4.4 get()

get方法比较简单,对外提供了三个:

  • get(int index)
  • getFirst()
  • getLast()

其中getFirst()以及getLast()由于保存了头尾指针,特判后,直接O(1)返回:

public E getFirst() {
    LinkedList.Node<E> f = this.first;
    if (f == null) {
        throw new NoSuchElementException();
    } else {
        return f.item;
    }
}

public E getLast() {
    LinkedList.Node<E> l = this.last;
    if (l == null) {
        throw new NoSuchElementException();
    } else {
        return l.item;
    }
}

get(int index)毫无疑问需要O(n)时间:

public E get(int index) {
    this.checkElementIndex(index);
    return this.node(index).item;
}

get(int index)判断下标后,实际上进行操作的是this.node(),由于该方法是通过下标找到对应的节点,源码前面也写上了,这里就不分析了,需要O(n)的时间。

5 总结

  • ArrayList基于Object[]实现,LinkedList基于双链表实现
  • ArrayList随机访问效率要高于LinkedList
  • LinkedList提供了比ArrayList更多的插入方法,而且头尾插入效率要高于ArrayList
  • 两者的删除元素方法并不完全相同,ArrayList提供了独有的removeIf(),而LinkedList提供了独有的removeFirstOccurrence()以及removeLastOccurrence()
  • ArrayListget()方法始终为O(1),而LinkedList只有getFirst()/getLast()O(1)
  • ArrayList中的两个核心方法是grow()以及System.arraycopy,前者是扩容方法,默认为1.5倍扩容,后者是复制数组方法,是一个native方法,插入、删除等等操作都需要使用
  • LinkedList中很多方法需要对头尾进行特判,创建比ArrayList简单,无须初始化,不涉及扩容问题

6 附录:关于插入与删除的一个实验

关于插入与删除,通常认为LinkedList的效率要比ArrayList高,但实际上并不是这样,下面是一个测试插入与删除时间的小实验。

6.1 测试环境

  • JDKOpenJDK 11.0.12
  • JMHJMH 1.33
  • 系统:Manjaro 21.1.2
  • 测试数组长度:5w50w500w
  • 测试方法:List.add(int,E),list.remove(int)
  • 插入与删除下标:随机生成
  • 测试指标:平均时间
  • 带预热
  • 单线程

6.2 代码

package com.company;

import org.openjdk.jmh.annotations.*;
import org.openjdk.jmh.runner.Runner;
import org.openjdk.jmh.runner.RunnerException;
import org.openjdk.jmh.runner.options.OptionsBuilder;

import java.util.*;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.stream.Collectors;
import java.util.stream.Stream;

@BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
@Fork(1)
@Warmup(iterations = 5)
@Measurement(iterations = 5)
@OutputTimeUnit(TimeUnit.MILLISECONDS)
@Threads(1)
@State(Scope.Benchmark)
public class Main {
    private static final Random random = new Random();
    private static final List<Integer> data_50_000 = Stream.generate(random::nextInt).limit(50_000).collect(Collectors.toList());
    private static final List<Integer> data_500_000 = Stream.generate(random::nextInt).limit(500_000).collect(Collectors.toList());
    private static final List<Integer> data_5_000_000 = Stream.generate(random::nextInt).limit(5_000_000).collect(Collectors.toList());

    private static final String ARRAY_LIST_50_000 = "1";
    private static final String ARRAY_LIST_500_000 = "2";
    private static final String ARRAY_LIST_5_000_000 = "3";
    private static final String LINKED_LIST_50_000 = "4";
    private static final String LINKED_LIST_500_000 = "5";
    private static final String LINKED_LIST_5_000_000 = "6";

    @Param({ARRAY_LIST_50_000, ARRAY_LIST_500_000, ARRAY_LIST_5_000_000, LINKED_LIST_50_000, LINKED_LIST_500_000, LINKED_LIST_5_000_000})
    private String type;

    private List<Integer> list;
    private int size;

    @Setup
    public void setUp() {
        switch (type) {
            case ARRAY_LIST_50_000:
                list = new ArrayList<>(data_50_000);
                size = 50_000;
                break;
            case ARRAY_LIST_500_000:
                list = new ArrayList<>(data_500_000);
                size = 500_000;
                break;
            case ARRAY_LIST_5_000_000:
                list = new ArrayList<>(data_5_000_000);
                size = 5_000_000;
                break;
            case LINKED_LIST_50_000:
                list = new LinkedList<>(data_50_000);
                size = 50_000;
                break;
            case LINKED_LIST_500_000:
                list = new LinkedList<>(data_500_000);
                size = 500_000;
                break;
            case LINKED_LIST_5_000_000:
                list = new LinkedList<>(data_5_000_000);
                size = 5_000_000;
                break;
            default:
                throw new IllegalArgumentException("Illegal argument exception:" + type);
        }
    }

    @Benchmark
    public void add() {
        int index = random.nextInt(size);
        int element = random.nextInt();
        list.add(index, element);
    }

    @Benchmark
    public void remove() {
        int n = list.size();
        if (n > 0) {
            list.remove(random.nextInt(n));
        } else {
            switch (type) {
                case ARRAY_LIST_50_000:
                    list = new ArrayList<>(data_50_000);
                    break;
                case ARRAY_LIST_500_000:
                    list = new ArrayList<>(data_500_000);
                    break;
                case ARRAY_LIST_5_000_000:
                    list = new ArrayList<>(data_5_000_000);
                    break;
                case LINKED_LIST_50_000:
                    list = new LinkedList<>(data_50_000);
                    break;
                case LINKED_LIST_500_000:
                    list = new LinkedList<>(data_500_000);
                    break;
                default:
                    list = new LinkedList<>(data_5_000_000);
                    break;
            }
            list.remove(random.nextInt(list.size()));
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws RunnerException {
        new Runner(new OptionsBuilder().include(Main.class.getSimpleName()).build()).run();
    }
}

测试结果:

Benchmark    (type)  Mode  Cnt  Score    Error  Units
Main.add          1  avgt    5  0.147 ±  0.083  ms/op
Main.add          2  avgt    5  0.159 ±  0.117  ms/op
Main.add          3  avgt    5  1.949 ±  0.102  ms/op
Main.add          4  avgt    5  0.274 ±  0.010  ms/op
Main.add          5  avgt    5  0.916 ±  0.507  ms/op
Main.add          6  avgt    5  4.199 ±  0.477  ms/op
Main.remove       1  avgt    5  0.001 ±  0.001  ms/op
Main.remove       2  avgt    5  0.010 ±  0.001  ms/op
Main.remove       3  avgt    5  1.844 ±  0.213  ms/op
Main.remove       4  avgt    5  0.010 ±  0.001  ms/op
Main.remove       5  avgt    5  0.107 ±  0.097  ms/op
Main.remove       6  avgt    5  3.934 ±  0.124  ms/o

其中type1-6分别对应5w50w500wArrayListLinkedList

虽然这个实验有一定的局限性,但也是证明了ArrayList的插入以及删除性能并不会比LinkedList差。实际上,通过源码(看上面分析)可以知道,ArrayList插入以及删除的主要耗时在于System.arraycopy,而LinkedList主要耗时在于this.node(),实际上两者需要的都是O(n)时间。

至于为什么ArrayList的插入和删除速度要比LinkedList快,笔者猜测,是System.arraycopy的速度快于LinkedList中的for循环遍历速度,因为LinkedList中找到插入/删除的位置是通过this.node(),而该方法是使用简单的for循环实现的(当然底层是首先判断是位于哪一边,靠近头部的话从头部开始遍历,靠近尾部的话从尾部开始遍历)。相对于System.arraycopy的原生C++方法实现,可能会慢于C++,因此造成了速度上的差异。

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