ArrayList & LinkedList

2021-03-02  本文已影响0人  长风几厘米

1. ArrayList

1.1 简介

  JDK提供的集合数据结构中，ArrayList 几乎是我们最常用的一个集合类，实现了 List 接口，本质上是一个可调整大小的数组，因此他拥有数组的特性。ArrayList 底层封装了一个 Object 数组 elementData ，通过 List 和 RandomAccess 接口提供的方法来对该数组进行访问和写入操作。ArrayList 的具体操作如下。

  1. 访问元素操作：提供随机访问功能，可以通过下标索引随机访问列表中的元素，访问的时间复杂度是 O(1) ；
  2. 插入元素操作：如果数组空间不足，会引发扩容操作，同时，如果元素插入的位置不是列表尾端，会引发插入位置后面的数组元素的复制移动，时间复杂度为 O(n) ；
  3. 移除元素操作：如果不知道要移除元素的下标索引，需要先查找到元素的位置，如果移除的元素不是尾端元素，会引发移除位置后面的数组元素的复制移动，时间复杂度为 O(n) ；
  4. 遍历元素操作：通过下标进行 for 循环或者通过 Iterator 接口进行迭代，其性能是一样的，因为 ArrayList 的 Iterator 接口实现内部，仍然是使用索引下标访问数组。

1.2 扩容原理

  ArrayList 在插入元素之前，会先计算数据空间是否充足，如果数组空间不足，会先进行扩容操作，新的容量大小等于原数组大小加上原数组大小的一半。

int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);

  也可以通过 ensureCapacity 方法来将数组的空间扩容到指定的大小，如果指定的容量大小小于或等于底层的数组长度 elementData.length，该方法不会执行扩容操作。所以当需要插入大量元素到ArrayList 中时，可以根据插入元素的数量，事先进行手动的扩容操作（调用 ensureCapacity 方法），这样就可以防止在插入过程中，ArrayList 频繁发生自动扩容而消耗性能。

ArrayList 有三个构造函数， 其中无参构造函数 ArrayList() 在创建了 ArrayList 对象后，不会立刻分配数组空间，而是先将 elementData 指向一个空数组，等到程序向列表中添加元素的时候，再通过扩容操作分配数组空间，此时默认扩容长度是 DEFAULT_CAPACITY = 10 ；而有参构造函数 ArrayList(int initialCapacity) 要求指定初始的容量，通过该构造器创建 ArrayList 对象，会立刻分配数组空间，数组大小等于参数指定的容量大小。

2. LinkedList

2.1 简介

  LinkedList 是JDK对于双向链表数据结构的基本实现，内部申明了两个引用，一个是 first 指向链表首节点，一个是 last 指向链表尾节点，链表的节点数据结构 Node 内部维护了两个引用，一个是 next 指向他的后继节点，一个是 prev 指向他的前驱节点；同时 LinkedList 维护了一个 size 变量来保存链表的长度。LinkedList 未实现 RandomAccess 接口，因此不支持快速的随机访问功能；LinkedList 的具体操作如下。

  1. 访问元素操作：能够快速的访问头部和尾部节点，因此，可以当作队列使用；如果要访问任意位置的元素，则需要遍历链表找到对应位置的元素，JDK在实现中做了优化，如果访问的位置在列表的前半部分，则从首节点开始沿着后继节点向后遍历查找，如果访问的位置在列表的后半部分，则从尾节点开始沿着前驱节点向前遍历查找；时间复杂度为 O(n) ;
  2. 插入元素操作：可以快速的在头部和尾部插入节点，尤其是在头部插入节点，无需移动复制其他元素，而 ArrayList 在头部插入元素时，需要将整个数组后移。在头部和尾部插入节点的时间复杂度是 O(1) ；在列表的其他位置插入元素时，需要先找到插入位置的节点，新插入节点作为原位置节点的前驱节点被插入到链表中；因此，其时间复杂度时 O(n) ；
  3. 移除元素操作：可以快速的移除头部和尾部节点，时间复杂度时 O(1) ；如果要移除其他位置的节点，需要先找到对应位置的节点，时间复杂度时 O(n) ;
  4. 遍历元素操作：通过 Iterator 接口进行迭代的性能好于 ArrayList ；

3. ConcurrentModificationException

  通过 Iterator 接口遍历 ArrayList 或者 LinkedList 的时候，有时候会引发 ConcurrentModificationException；这是因为 ArrayList 和 LinkedList 都是非线程安全的 List 实现类，而通过 Iterator 对象遍历列表，实际遍历的是列表的数据视图，因此一旦在多线程环境下使用 ArrayList 和 LinkedList ，可能会出现数据不一致的问题。而这两个类本身就不是设计用在多线程环境下的，于是就采用了 fast-fail 的设计方式，在迭代过程中会对列表的实时状态进行检测，一旦发现列表结构被更改，就会立刻抛出 ConcurrentModificationException。

  具体是如何的检测的呢？ArrayList 和 LinkedList 的抽象基类 AbstractList 中有一个变量 modCount ，该变量记录了列表结构被改变的次数，只要对列表进行添加或移除操作，modCount 的值都会增加。当通过 Iterator 对象遍历列表的时候：

ArrayList<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
list.add(2);
list.add(3);
list.add(4);

Iterator<Integer> iterator = list.iterator();
while(iterator.hasNext()){
    Integer integer = iterator.next();
    if(integer==2)
        list.remove(integer);
}

iterator() 方法内部创建了一个新的 Iterator 对象，在创建的时候，Iterator 对象会保存此刻列表的 modCount 值

private int expectedModCount = modCount;

在迭代过程中，每次通过 next 方法来访问列表元素，都会先检测 Iterator 对象保存的状态值 expectedModCount 是否与列表自身的 modCount 值一致；

final void checkForComodification() {
    if (modCount != expectedModCount)
        throw new ConcurrentModificationException();
    }
}

一旦发现不一致，说明列表的结构被其他线程改变了，因此，会立刻抛出 ConcurrentModificationException 异常，以避免数据不一致的情况发生。

4. 总结

  ArrayList 和 LinkedList 是 JDK 中 List 接口的两个基本实现。

  ArrayList 实现了一个可以扩容的数组，在每次添加元素之前，都要进行容量计算，如果容量不足则会进行扩容，扩容的时候会产生内存的复制操作，所以 ArrayList 中的元素越多，扩容操作的消耗越大，因此在需要对 ArrayList 进行优化的时候，可以预估其可能存储的元素数量，在创建的时候就指定其容量大小，来尽量避免扩容操作。

  LinkedList 实现了一个双向链表，头部和尾部的插入和移除操作的时间复杂度都是 O(1) ，并且 LinkedList 还实现了 Deque 接口，因此可以作为双端队列来使用。

  ArrayList 和 LinkedList 都是非线程安全的列表实现类，尽量不要在多线程环境下使用，在多线程环境下，可能会引发 ConcurrentModificationException 异常，可以使用Java并发包下的 CopyOnWriteArrayList 来代替 ArrayList，ConcurrentLinkedDeque 来代替 LinkedList。

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