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ArrayList 重拳出击,把 LinkedList 干翻在地

大家好,我是二哥呀。

这是《Java 程序员进阶之路》专栏的第 60 篇,我们来聊聊 ArrayList 和 LinkedList 之间的区别。大家可以到 GitHub 上给二哥一个 star,冲 500 星标了。

github.com/itwanger/to…

如果再有人给你说 “ArrayList 底层是数组,查询快、增删慢;LinkedList 底层是链表,查询慢、增删快”,你可以让他滚了!

这是一个极其不负责任的总结,关键是你会在很多地方看到这样的结论。

害,我一开始学 Java 的时候,也问过一个大佬,“ArrayList 和 LinkedList 有什么区别?”他就把“ArrayList 底层是数组,查询快、增删慢;LinkedList 底层是链表,查询慢、增删快”甩给我了,当时觉得,大佬好牛逼啊!

后来我研究了 ArrayList 和 LinkedList 的源码,发现还真的是,前者是数组,后者是 LinkedList,于是我对大佬更加佩服了!

直到后来,我亲自跑程序验证了一遍,才发现大佬的结论太草率了!根本就不是这么回事!

先来给大家普及一个概念——时间复杂度

在计算机科学中,算法的时间复杂度(Time complexity)是一个函数,它定性描述该算法的运行时间。这是一个代表算法输入值的字符串的长度的函数。时间复杂度常用大 O 符号表述,不包括这个函数的低阶项和首项系数。使用这种方式时,时间复杂度可被称为是渐近的,亦即考察输入值大小趋近无穷时的情况。例如,如果一个算法对于任何大小为 n (必须比 n0n_0 大)的输入,它至多需要 5n3 +3n5n^3 + 3n 的时间运行完毕,那么它的渐近时间复杂度是 O(n3)O(n3^)

增删改查,对应到 ArrayList 和 LinkedList,就是 add(E e)、remove(int index)、add(int index, E element)、get(int index),我来给大家一一分析下,它们对应的时间复杂度,也就明白了“ArrayList 底层是数组,查询快、增删慢;LinkedList 底层是链表,查询慢、增删快”这个结论很荒唐的原因

对于 ArrayList 来说

1)get(int index) 方法的时间复杂度为 O(1)O(1),因为是直接从底层数组根据下标获取的,和数组长度无关。

public E get(int index) {
    Objects.checkIndex(index, size);
    return elementData(index);
}
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这也是 ArrayList 的最大优点。

2)add(E e) 方法会默认将元素添加到数组末尾,但需要考虑到数组扩容的情况,如果不需要扩容,时间复杂度为 O(1)O(1)

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;
}
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如果需要扩容的话,并且不是第一次(oldCapacity > 0)扩容的时候,内部执行的 Arrays.copyOf() 方法是耗时的关键,需要把原有数组中的元素复制到扩容后的新数组当中。

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)];
    }
}
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3)add(int index, E element) 方法将新的元素插入到指定的位置,考虑到需要复制底层数组(根据之前的判断,扩容的话,数组可能要复制一次),根据最坏的打算(不管需要不需要扩容,System.arraycopy() 肯定要执行),所以时间复杂度为 O(n)O(n)

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;
}
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来执行以下代码,把沉默王八插入到下标为 2 的位置上。

ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
list.add("沉默王二");
list.add("沉默王三");
list.add("沉默王四");
list.add("沉默王五");
list.add("沉默王六");
list.add("沉默王七");
list.add(2, "沉默王八");
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System.arraycopy() 执行完成后,下标为 2 的元素为沉默王四,这一点需要注意。也就是说,在数组中插入元素的时候,会把插入位置以后的元素依次往后复制,所以下标为 2 和下标为 3 的元素都为沉默王四。

image.png

之后再通过 elementData[index] = element 将下标为 2 的元素赋值为沉默王八;随后执行 size = s + 1,数组的长度变为 7。

image.png

4) remove(int index) 方法将指定位置上的元素删除,考虑到需要复制底层数组,所以时间复杂度为 O(n)O(n)

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;
}
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;
}
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对于 LinkedList 来说

1)get(int index) 方法的时间复杂度为 O(n)O(n),因为需要循环遍历整个链表。

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

LinkedList.Node<E> node(int index) {
    // assert isElementIndex(index);

    if (index < (size >> 1)) {
        LinkedList.Node<E> x = first;
        for (int i = 0; i < index; i++)
            x = x.next;
        return x;
    } else {
        LinkedList.Node<E> x = last;
        for (int i = size - 1; i > index; i--)
            x = x.prev;
        return x;
    }
}
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下标小于链表长度的一半时,从前往后遍历;否则从后往前遍历,这样从理论上说,就节省了一半的时间。

如果下标为 0 或者 list.size() - 1 的话,时间复杂度为 O(1)O(1)。这种情况下,可以使用 getFirst()getLast() 方法。

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

public E getLast() {
    final LinkedList.Node<E> l = last;
    if (l == null)
        throw new NoSuchElementException();
    return l.item;
}
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first 和 last 在链表中是直接存储的,所以时间复杂度为 O(1)O(1)

2)add(E e) 方法默认将元素添加到链表末尾,所以时间复杂度为 O(1)O(1)

public boolean add(E e) {
    linkLast(e);
    return true;
}
void linkLast(E e) {
    final LinkedList.Node<E> l = last;
    final LinkedList.Node<E> newNode = new LinkedList.Node<>(l, e, null);
    last = newNode;
    if (l == null)
        first = newNode;
    else
        l.next = newNode;
    size++;
    modCount++;
}
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3)add(int index, E element) 方法将新的元素插入到指定的位置,需要先通过遍历查找这个元素,然后再进行插入,所以时间复杂度为 O(n)O(n)

public void add(int index, E element) {
    checkPositionIndex(index);

    if (index == size)
        linkLast(element);
    else
        linkBefore(element, node(index));
}
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如果下标为 0 或者 list.size() - 1 的话,时间复杂度为 O(1)O(1)。这种情况下,可以使用 addFirst()addLast() 方法。

public void addFirst(E e) {
    linkFirst(e);
}
private void linkFirst(E e) {
    final LinkedList.Node<E> f = first;
    final LinkedList.Node<E> newNode = new LinkedList.Node<>(null, e, f);
    first = newNode;
    if (f == null)
        last = newNode;
    else
        f.prev = newNode;
    size++;
    modCount++;
}
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linkFirst() 只需要对 first 进行更新即可。

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

void linkLast(E e) {
    final LinkedList.Node<E> l = last;
    final LinkedList.Node<E> newNode = new LinkedList.Node<>(l, e, null);
    last = newNode;
    if (l == null)
        first = newNode;
    else
        l.next = newNode;
    size++;
    modCount++;
}
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linkLast() 只需要对 last 进行更新即可。

需要注意的是,有些文章里面说,LinkedList 插入元素的时间复杂度近似 O(1)O(1),其实是有问题的,因为 add(int index, E element) 方法在插入元素的时候会调用 node(index) 查找元素,该方法之前我们之间已经确认过了,时间复杂度为 O(n)O(n),即便随后调用 linkBefore() 方法进行插入的时间复杂度为 O(1)O(1),总体上的时间复杂度仍然为 O(n)O(n) 才对。

void linkBefore(E e, LinkedList.Node<E> succ) {
    // assert succ != null;
    final LinkedList.Node<E> pred = succ.prev;
    final LinkedList.Node<E> newNode = new LinkedList.Node<>(pred, e, succ);
    succ.prev = newNode;
    if (pred == null)
        first = newNode;
    else
        pred.next = newNode;
    size++;
    modCount++;
}
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4) remove(int index) 方法将指定位置上的元素删除,考虑到需要调用 node(index) 方法查找元素,所以时间复杂度为 O(n)O(n)

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

E unlink(LinkedList.Node<E> x) {
    // assert x != null;
    final E element = x.item;
    final LinkedList.Node<E> next = x.next;
    final LinkedList.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++;
    return element;
}
复制代码

通过时间复杂度的比较,以及源码的分析,我相信大家在选择的时候就有了主意,对吧?

需要注意的是,如果列表很大很大,ArrayList 和 LinkedList 在内存的使用上也有所不同。LinkedList 的每个元素都有更多开销,因为要存储上一个和下一个元素的地址。ArrayList 没有这样的开销。

查询的时候,ArrayList 比 LinkedList 快,这是毋庸置疑的;插入和删除的时候,LinkedList 因为要遍历列表,所以并不比 ArrayList 更快。反而 ArrayList 更轻量级,不需要在每个元素上维护上一个和下一个元素的地址。

但是,请注意,如果 ArrayList 在增删改的时候涉及到大量的数组复制,效率就另当别论了,因为这个过程相当的耗时。

对于初学者来说,一般不会涉及到百万级别的数据操作,如果真的不知道该用 ArrayList 还是 LinkedList,就无脑选择 ArrayList 吧!


这是《Java 程序员进阶之路》专栏的第 60 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,目前已连载 60 篇。

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