一篇文章搞定ArrayList和LinkedList所有面试问题
2018-10-27 本文已影响0人
大菜鸟_
在面试中经常碰到：ArrayList和LinkedList的特点和区别？
这个问题的回答应该分成这几部分
介绍ArrayList底层实现
介绍LinkedList底层实现
两者个适用于哪些场合
ArrayList的源码解读
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;
/**
* Default initial capacity.
*/
//默认容量是10
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
/**
* Shared empty array instance used for empty instances.
*/
//当传入ArrayList构造器的容量为0时用这个数组表示：容器的容量为0
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/**
* Shared empty array instance used for default sized empty instances. We
* distinguish this from EMPTY_ELEMENTDATA to know how much to inflate when
* first element is added.
*/
//主要作为一个标识位，在扩容时区分：默认大小和容量为0，使用默认容量时采取的是“懒加载”
//即等到add元素的时候才进行实际容量的分配，后面扩容函数讲解还会提到这
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/**
* The array buffer into which the elements of the ArrayList are stored.
* The capacity of the ArrayList is the length of this array buffer. Any
* empty ArrayList with elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
* will be expanded to DEFAULT_CAPACITY when the first element is added.
*/
//ArrayList底层使用Object数组保存的元素的
transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
/**
* The size of the ArrayList (the number of elements it contains).
*
* @serial
*/
//记录当前容器中有多少元素
private int size;
//最常用的构造器之一，实际上就是创建了一个指定大小的Object数组来保存之后add的元素
public ArrayList(int initialCapacity) {
if (initialCapacity > 0) {
this.elementData = new Object[initialCapacity];
} else if (initialCapacity == 0) {
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
} else {
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
initialCapacity);
}
}
//无参构造器，指向的是默认容量大小的Object数组，注意使用无参构造函数的时候并没有直接创建容量
//为10的Object数组,而是采取懒加载的策略：使用DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA（实际容量为0）
//作为标识，在真正add元素时才会开辟Object数组，即在扩容函数中有处理默认容量的逻辑，后面会有分析
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
//省略一部分不常用代码函数
//add是ArrayList最常用的接口，逻辑很简单，
public boolean add(E e) {
//主要用于标识线程安全，即ArrayList只能在单线程环境下使用，在多线程环境下会出现并发安全问
//题，modCount主要用于记录对ArrayList的修改次数，如果一个线程操作期间modCount发生了变化
//即，有多个线程同时修改当前这个ArrayList，此时会抛出“ConcurrentModificationException”
//异常，这又被称为“failFast机制”，在很多非线程安全的类中都有failFast机制：HashMap、
//LinkedList等。这个机制主要用于迭代器、加强for循环等相关功能，也就是一个线程在迭代一个容器
//时，如果其他线程改变了容器内的元素，迭代的这个线程会抛
//出“ConcurrentModificationException”异常
modCount++;
//add操作的核心函数，当使用无参构造器时并没有直接分配大小为10的Object数组，这里面有对应
//的处理逻辑
add(e, elementData, size);
return true;
}
private void add(E e, Object[] elementData, int s) {
if (s == elementData.length)//如果使用无参构造器：开始时length为0，s也为0
elementData = grow();//核心函数
elementData[s] = e;
size = s + 1;
}
private Object[] grow() {
return grow(size + 1);//继续追踪
}
private Object[] grow(int minCapacity) {
//使用数组复制的方式，扩容：将elementData所有元素复制到一个新数组中，这个新数组的长度是
//newCapacity()函数的返回值，之后再把这个新数组赋值给elementData，完成扩容
//进入newCapacity()函数
return elementData = Arrays.copyOf(elementData,
newCapacity(minCapacity));
}
private int newCapacity(int minCapacity) {//返回的是扩容后数组的长度
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length;
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);//扩容后为原来容量的1.5倍
if (newCapacity - minCapacity <= 0) {
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)//默认容量的处理
return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
//minCapacity是int类型，有溢出的可能，也就是ArrayList最大大小是Integer.MAX_VALUE
if (minCapacity < 0) // overflow
throw new OutOfMemoryError();
return minCapacity;
}
//MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8,当扩容后大于MAX_ARRAY_SIZE ，返回
//hugeCapacity(minCapacity),其实就是Integer.MAX_VALUE
return (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE <= 0)
? newCapacity
: hugeCapacity(minCapacity);
}
private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
if (minCapacity < 0) // overflow
throw new OutOfMemoryError();
return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE)
? Integer.MAX_VALUE
: MAX_ARRAY_SIZE;
}
//最后看下ArrayList的failFast机制
private class Itr implements Iterator<E> {
int cursor; // index of next element to return
int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such
//在迭代之前先保存modCount的值，modCount在改变容器元素、容器大小时会自增
int expectedModCount = modCount;
// prevent creating a synthetic constructor
Itr() {}
public boolean hasNext() {
return cursor != size;
}
@SuppressWarnings("unchecked")
public E next() {
//使用迭代器遍历元素的时候先检查modCount的值是否等于预期的值，进入该函数
checkForComodification();
int i = cursor;
if (i >= size)
throw new NoSuchElementException();
Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
if (i >= elementData.length)
throw new ConcurrentModificationException();
cursor = i + 1;
return (E) elementData[lastRet = i];
}
//可以发现：在迭代期间如果有线程改变了容器，此时会抛出“ConcurrentModificationException”
final void checkForComodification() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
ArrayList的其他操作：get、remove、indexOf其实就很简单了，都是对Object数组的操作：获取数组某个索引位置的元素，删除数组中某个元素，查找数组中某个元素的位置......所以说理解原理很重要
上面注释的部分就是ArrayList的考点，主要有：初始容量、最大容量、使用Object数组保存元素（数组与链表的异同）、扩容机制（1.5倍）、failFast机制 等
LinkedList源码分析
public class LinkedList<E>
extends AbstractSequentialList<E>
implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable
{
//LinkedList的size是int类型，但是后面会看到LinkedList大小实际只受内存大小的限制
//也就是LinkedList的size大小可能发生溢出，返回负数
transient int size = 0;
/**
* Pointer to first node.
*/
//LinkedList底层使用双向链表实现，并保留了头尾两个节点的引用
transient Node<E> first;//头节点
/**
* Pointer to last node.
*/
transient Node<E> last;//尾节点
//省略一部分无关代码，LinkedList内部类Node
private static class Node<E> {
E item;//元素值
Node<E> next;//后继节点
Node<E> prev;//前驱节点,即Node是双向链表
Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {//Node的构造器
this.item = element;
this.next = next;
this.prev = prev;
}
}
//LinkedList无参构造器：什么都没做
public LinkedList() {}
//LinkedList的大部分接口都是基于这几个接口实现的：
//1.往链表头部插入元素
//2.往链表尾部插入元素
//3.在指定节点的前面插入一个节点
//4.删除链表的头结点
//5.删除除链表的尾节点
//6.删除除链表中的指定节点
private void linkFirst(E e) {//1.往链表头部插入元素
final Node<E> f = first;
final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
first = newNode;
if (f == null)
last = newNode;
else
f.prev = newNode;
size++;
modCount++;//failFast机制
}
/**
* Links e as last element.
*/
void linkLast(E e) {//2.往链表尾部插入元素
final Node<E> l = last;
final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
last = newNode;
if (l == null)
first = newNode;
else
l.next = newNode;
size++;
modCount++;//failFast机制
}
/**
* Inserts element e before non-null Node succ.
*/
void linkBefore(E e, Node<E> succ) {//3.在指定节点(succ)的前面插入一个节点
// assert succ != null;
final Node<E> pred = succ.prev;
final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
succ.prev = newNode;
if (pred == null)
first = newNode;
else
pred.next = newNode;
size++;
modCount++;//failFast机制
}
/**
* Unlinks non-null first node f.
*/
private E unlinkFirst(Node<E> f) {//4.删除链表的头结点
// assert f == first && f != null;
final E element = f.item;
final Node<E> next = f.next;
f.item = null;
f.next = null; // help GC
first = next;
if (next == null)
last = null;
else
next.prev = null;
size--;
modCount++;//failFast机制
return element;
}
/**
* Unlinks non-null last node l.
*/
private E unlinkLast(Node<E> l) {//5.删除除链表的尾节点
// assert l == last && l != null;
final E element = l.item;
final Node<E> prev = l.prev;
l.item = null;
l.prev = null; // help GC
last = prev;
if (prev == null)
first = null;
else
prev.next = null;
size--;
modCount++;//failFast机制
return element;
}
/**
* Unlinks non-null node x.
*/
E unlink(Node<E> x) {//6.删除除链表中的指定节点
// assert x != null;
final E element = x.item;
final Node<E> next = x.next;
final Node<E> 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++;//failFast机制
return element;
}
//LinkedList常用接口的实现
public E removeFirst() {
final Node<E> f = first;
if (f == null)
throw new NoSuchElementException();
return unlinkFirst(f);//调用 4.删除链表的头结点 实现
}
public E removeLast() {
final Node<E> l = last;
if (l == null)
throw new NoSuchElementException();
return unlinkLast(l);//调用 5.删除除链表的尾节点 实现
}
public void addFirst(E e) {
linkFirst(e);//调用 1.往链表头部插入元素 实现
}
public void addLast(E e) {
linkLast(e);//调用 2.往链表尾部插入元素 实现
}
public boolean add(E e) {
linkLast(e);//调用 2.往链表尾部插入元素 实现
return true;
}
public boolean remove(Object o) {
if (o == null) {
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
if (x.item == null) {
unlink(x);//调用 6.删除除链表中的指定节点 实现
return true;
}
}
} else {
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
if (o.equals(x.item)) {
unlink(x);//调用 6.删除除链表中的指定节点 实现
return true;
}
}
}
return false;
}
//省略其他无关函数
//迭代器中的failFast机制
private class ListItr implements ListIterator<E> {
private Node<E> lastReturned;
private Node<E> next;
private int nextIndex;
//在迭代之前先保存modCount的值，modCount在改变容器元素、容器大小时会自增
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() {
使用迭代器遍历元素的时候先检查modCount的值是否等于预期的值，进入该函数
checkForComodification();
if (!hasNext())
throw new NoSuchElementException();
lastReturned = next;
next = next.next;
nextIndex++;
return lastReturned.item;
}
//可以发现：在迭代期间如果有线程改变了容器，此时会抛出“ConcurrentModificationException”
final void checkForComodification() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
LinkedList的实现较为简单：底层使用双向链表实现、保留了头尾两个指针、LinkedList的其他操作基本都是基于上面那7个函数实现的，另外LinkedList也有FailFast机制：这个机制主要在迭代器中会使用。
数组和链表各自的特性
数组和链表的特性差异，本质是：连续空间存储和非连续空间存储的差异，主要有下面两点：
ArrayList：底层是Object数组实现的：由于数组的地址是连续的，数组支持O(1)随机访问；数组在初始化时需要指定容量；数组不支持动态扩容，像ArrayList、Vector和Stack使用的时候看似不用考虑容量问题（因为可以一直往里面存放数据）；但是它们的底层实际做了扩容；数组扩容代价比较大，需要开辟一个新数组将数据拷贝进去，数组扩容效率低；适合读数据较多的场合
LinkedList：底层使用一个Node数据结构，有前后两个指针，双向链表实现的。相对数组，链表插入效率较高，只需要更改前后两个指针即可；另外链表不存在扩容问题，因为链表不要求存储空间连续，每次插入数据都只是改变last指针；另外，链表所需要的内存比数组要多，因为他要维护前后两个指针；它适合删除，插入较多的场景。另外，LinkedList还实现了Deque接口。
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