Java & Android 集合框架 #2 说一下 ArrayList 和 LinkedList 的区别？

彭旭锐
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学习数据结构与算法的关键在于掌握问题背后的算法思维框架，你的思考越抽象，它能覆盖的问题域就越广，理解难度也更复杂。在实际的业务开发中，往往不需要我们手写数据结构，而是直接使用标准库的数据结构 / 容器类。

本文是 Java & Android 集合框架系列的第 2 篇文章，完整文章目录请移步到文章末尾~

前言

大家好，我是小彭。

在上一篇文章里，我们聊到了基于动态数组 ArrayList 线性表，今天我们来讨论一个基于链表的线性表 —— LinkedList。

思维导图：

1. LinkedList 的特点

1.1 说一下 ArrayList 和 LinkedList 的区别？

  • 1、数据结构： 在数据结构上，ArrayList 和 LinkedList 都是 “线性表”，都继承于 Java 的 List 接口。另外 LinkedList 还实现了 Java 的 Deque 接口，是基于链表的栈或队列，与之对应的是 ArrayDeque 基于数组的栈或队列；
  • 2、线程安全： ArrayList 和 LinkedList 都不考虑线程同步，不保证线程安全；
  • 3、底层实现： 在底层实现上，ArrayList 是基于动态数组的，而 LinkedList 是基于双向链表的。事实上，它们很多特性的区别都是因为底层实现不同引起的。比如说：
    • 在遍历速度上： 数组是一块连续内存空间，基于局部性原理能够更好地命中 CPU 缓存行，而链表是离散的内存空间对缓存行不友好；
    • 在访问速度上： 数组是一块连续内存空间，支持 O(1) 时间复杂度随机访问，而链表需要 O(n) 时间复杂度查找元素；
    • 在添加和删除操作上： 如果是在数组的末尾操作只需要 O(1) 时间复杂度，但在数组中间操作需要搬运元素，所以需要 O(n)时间复杂度，而链表的删除操作本身只是修改引用指向，只需要 O(1) 时间复杂度（如果考虑查询被删除节点的时间，复杂度分析上依然是 O(n)，在工程分析上还是比数组快）；
    • 额外内存消耗上： ArrayList 在数组的尾部增加了闲置位置，而 LinkedList 在节点上增加了前驱和后继指针。

1.2 LinkedList 的多面人生

在数据结构上，LinkedList 不仅实现了与 ArrayList 相同的 List 接口，还实现了 Deque 接口（继承于 Queue 接口）。

Deque 接口表示一个双端队列（Double Ended Queue），允许在队列的首尾两端操作，所以既能实现队列行为，也能实现栈行为。

Queue 接口：

拒绝策略抛异常返回特殊值
入队（队尾）add(e)offer(e)
出队（队头）remove()poll()
观察（队头）element()peek()

Queue 的 API 可以分为 2 类，区别在于方法的拒绝策略上：

  • 抛异常：

    • 向空队列取数据，会抛出 NoSuchElementException 异常；
    • 向容量满的队列加数据，会抛出 IllegalStateException 异常。

  • 返回特殊值：

    • 向空队列取数据，会返回 null；
    • 向容量满的队列加数据，会返回 false。

Deque 接口：

Java 没有提供标准的栈接口（很好奇为什么不提供），而是放在 Deque 接口中：

拒绝策略抛异常等价于
入栈push(e)addFirst(e)
出栈pop()removeFirst()
观察（栈顶）peek()peekFirst()

除了标准的队列和栈行为，Deque 接口还提供了 12 个在两端操作的方法：

拒绝策略抛异常返回值
增加addFirst(e)/ addLast(e)offerFirst(e)/ offerLast(e)
删除removeFirst()/ removeLast()pollFirst()/ pollLast()
观察getFirst()/ getLast()peekFirst()/ peekLast()

2. LinkedList 源码分析

这一节，我们来分析 LinkedList 中主要流程的源码。

2.1 LinkedList 的属性

  • LinkedList 底层是一个 Node 双向链表，Node 节点中会持有数据 E 以及 prev 与next 两个指针；
  • LinkedList 用 first 和 last 指针指向链表的头尾指针。

LinkedList 的属性很好理解的，不出意外的话又有小朋友出来举手提问了：

  • 🙋🏻‍♀️ 疑问 1：为什么字段都不声明 private 关键字？

这个问题直接回答吧。我的理解是：因为内部类在编译后会生成独立的 Class 文件，如果外部类的字段是 private 类型，那么编译器就需要通过方法调用，而 non-private 字段就可以直接访问字段。

  • 🙋🏻‍♀️ 疑问 2：为什么字段都声明 transient 关键字？

这个问题我们在分析源码的过程中回答。

疑问比 ArrayList 少很多，LinkedList 真香（还是别高兴得太早吧）。

public class LinkedList<E>
    extends AbstractSequentialList<E>
    implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable {

    // 疑问 1：为什么字段都不声明 private 关键字？
    // 疑问 2：为什么字段都声明 transient 关键字？
    // 元素个数
    transient int size = 0;

    // 头指针
    transient Node<E> first;

    // 尾指针
    transient Node<E> last;

    // 链表节点
    private static class Node<E> {
        // 节点数据
        // （类型擦除后：Object item;）
        E item;
        // 前驱指针
        Node<E> next;
        // 后继指针
        Node<E> prev;

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

2.2 LinkedList 的构造方法

LinkedList 有 2 个构造方法：

  • 1、无参构造方法： no-op；
  • 2、带集合的构造： 在链表末尾添加整个集合，内部调用了 addAll 方法将整个集合添加到数组的末尾。
// 无参构造方法
public LinkedList() {
}

// 带集合的构造方法
public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
    this();
    addAll(c);
}

// 在链表尾部添加集合
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
    // 索引为 size，等于在链表尾部添加
    return addAll(size, c);
}

2.3 LinkedList 的添加方法

LinkedList 提供了非常多的 addXXX 方法，内部都是调用一系列 linkFirst、linkLast 或 linkBefore 完成的。如果在链表中间添加节点时，会用到 node(index) 方法查询指定位置的节点。

其实，我们会发现所有添加的逻辑都可以用 6 个步骤概括：

  • 步骤 1： 找到插入位置的后继节点（在头部插入就是 first，在尾部插入就是 null）；
  • 步骤 2： 构造新节点；
  • 步骤 3： 将新节点的 prev 指针指向前驱节点（在头部插入就是 null，在尾部插入就是 last）；
  • 步骤 4： 将新节点的 next 指针指向后继节点（在头部插入就是 first，在尾部插入就是 null）；
  • 步骤 5： 将前驱节点的 next 指针指向新节点（在头部插入没有这个步骤）；
  • 步骤 6： 将后继节点的 prev 指针指向新节点（在尾部插入没有这个步骤）。

分析一下添加方法的时间复杂度，区分在链表两端或中间添加元素的情况共：

  • 如果是在链表首尾两端添加： 只需要 O(1) 时间复杂度；
  • 如果在链表中间添加： 由于需要定位到添加位置的前驱和后继节点，所以需要 O(n) 时间复杂度。如果事先已经获得了添加位置的节点，就只需要 O(1) 时间复杂度。

添加方法

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

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

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

public void add(int index, E element) {
    checkPositionIndex(index);
    if (index == size)
        // 在尾部添加
        linkLast(element);
    else
        // 在指定位置添加
        linkBefore(element, node(index));
}

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

// 在链表头部添加
private void linkFirst(E e) {
    // 1. 找到插入位置的后继节点（first）
    final Node<E> f = first;
    // 2. 构造新节点
    // 3. 将新节点的 prev 指针指向前驱节点（null）
    // 4. 将新节点的 next 指针指向后继节点（f）
    // 5. 将前驱节点的 next 指针指向新节点（前驱节点是 null，所以没有这个步骤）
    final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
    // 修改 first 指针
    first = newNode;
    if (f == null)
        // f 为 null 说明首个添加的元素，需要修改 last 指针
        last = newNode;
    else
        // 6. 将后继节点的 prev 指针指向新节点
        f.prev = newNode;
    size++;
    modCount++;
}

// 在链表尾部添加
void linkLast(E e) {
    final Node<E> l = last;
    // 1. 找到插入位置的后继节点（null）
    // 2. 构造新节点
    // 3. 将新节点的 prev 指针指向前驱节点（l）
    // 4. 将新节点的 next 指针指向后继节点（null）
    final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
    // 修改 last 指针
    last = newNode;
    if (l == null)
        // l 为 null 说明首个添加的元素，需要修改 first 指针
        first = newNode;
    else
        // 5. 将前驱节点的 next 指针指向新节点
        l.next = newNode;
    // 6. 将后继节点的 prev 指针指向新节点（后继节点是 null，所以没有这个步骤）
    size++;
    modCount++;
}

// 在指定节点前添加
// 1. 找到插入位置的后继节点
void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
    final Node<E> pred = succ.prev;
    // 2. 构造新节点
    // 3. 将新节点的 prev 指针指向前驱节点（pred）
    // 4. 将新节点的 next 指针指向后继节点（succ）
    final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
    succ.prev = newNode;
    if (pred == null)
        first = newNode;
    else
        // 5. 将前驱节点的 next 指针指向新节点
        pred.next = newNode;
    size++;
    modCount++;
}

// 在指定位置添加整个集合元素
// index 为 0：在链表头部添加
// index 为 size：在链表尾部添加
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
    checkPositionIndex(index);
    // 事实上，c.toArray() 的实际类型不一定是 Object[]，有可能是 String[] 等
    // 不过，我们是通过 Node中的item 承接的，所以不用担心 ArrayList 中的 ArrayStoreException 问题
    Object[] a = c.toArray();
    // 添加的数组为空，跳过
    int numNew = a.length;
    if (numNew == 0)
        return false;

    // 1. 找到插入位置的后继节点
    // pred：插入位置的前驱节点
    // succ：插入位置的后继节点
    Node<E> pred, succ;
    if (index == size) {
        succ = null;
        pred = last;
    } else {
        // 找到 index 位置原本的节点，插入后变成后继节点
        succ = node(index);
        pred = succ.prev;
    }
    // 插入集合元素
    for (Object o : a) {
        E e = (E) o;
        // 2. 构造新节点
        // 3. 将新节点的 prev 指针指向前驱节点
        Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, null);
        if (pred == null)
            // pred 为 null 说明是在头部插入，需要修改 first 指针
            first = newNode;
        else
            // 5. 将前驱节点的 next 指针指向新节点
            pred.next = newNode;
        // 修改前驱指针
        pred = newNode;
    }

    if (succ == null) {
        // succ 为 null 说明是在尾部插入，需要修改 last 指针
        last = pred;
    } else {
        // 4. 将新节点的 next 指针指向后继节点
        pred.next = succ;
        // 6. 将后继节点的 prev 指针指向新节点
        succ.prev = pred;
    }
    // 数量增加 numNew
    size += numNew;
    modCount++;
    return true;
}

// 将 LinkedList 转化为 Object 数组
public Object[] toArray() {
    Object[] result = new Object[size];
    int i = 0;
    for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next)
        result[i++] = x.item;
    return result;
}

在链表中间添加节点时，会用到 node(index) 方法查询指定位置的节点。可以看到维持 first 和 last 头尾节点的作用又发挥出来了：

  • 如果索引位置小于 size/2，则从头节点开始找；
  • 如果索引位置大于 size/2，则从尾节点开始找。

虽然，我们从复杂度分析的角度看，从哪个方向查询是没有区别的，时间复杂度都是 O(n)。但从工程分析的角度看还是有区别的，从更靠近目标节点的位置开始查询，实际执行的时间会更短。

查询指定位置节点

// 寻找指定位置的节点，时间复杂度：O(n)
Node<E> node(int index) {
    if (index < (size >> 1)) {
        // 如果索引位置小于 size/2，则从头节点开始找
        Node<E> x = first;
        for (int i = 0; i < index; i++)
            x = x.next;
        return x;
    } else {
        // 如果索引位置大于 size/2，则从尾节点开始找
        Node<E> x = last;
        for (int i = size - 1; i > index; i--)
            x = x.prev;
        return x;
    }
}

LinkedList 的删除方法其实就是添加方法的逆运算，我们就不重复分析了。

// 删除头部元素
public E removeFirst() {
    final Node<E> f = first;
    if (f == null)
        throw new NoSuchElementException();
    return unlinkFirst(f);
}

// 删除尾部元素
public E removeLast() {
    final Node<E> l = last;
    if (l == null)
        throw new NoSuchElementException();
    return unlinkLast(l);
}

// 删除指定元素
public E remove(int index) {
    checkElementIndex(index);
    return unlink(node(index));
}

2.4 LinkedList 的迭代器

Java 的 foreach 是语法糖，本质上也是采用 iterator 的方式。由于 LinkedList 本身就是双向的，所以 LinkedList 只提供了 1 个迭代器：

  • ListIterator listIterator()： 双向迭代器

与其他容器类一样，LinkedList 的迭代器中都有 fail-fast 机制。如果在迭代的过程中发现 expectedModCount 变化，说明数据被修改，此时就会提前抛出 ConcurrentModificationException 异常（当然也不一定是被其他线程修改）。

public ListIterator<E> listIterator(int index) {
    checkPositionIndex(index);
    return new ListItr(index);
}

// 非静态内部类
private class ListItr implements ListIterator<E> {
    private Node<E> lastReturned;
    private Node<E> next;
    private int nextIndex;
    // 创建迭代器时会记录外部类的 modCount
    private int expectedModCount = modCount;

    ListItr(int index) {
        next = (index == size) ? null : node(index);
        nextIndex = index;
    }

    public E next() {
        // 更新 expectedModCount
        checkForComodification();
        ...
    }
    ...
}

2.5 LinkedList 的序列化过程

  • 🙋🏻‍♀️ 疑问 2：为什么字段都声明 transient 关键字？

LinkedList 重写了 JDK 序列化的逻辑，不序列化链表节点，而只是序列化链表节点中的有效数据，这样序列化产物的大小就有所降低。在反序列时，只需要按照对象顺序依次添加到链表的末尾，就能恢复链表的顺序。

// 序列化和反序列化只考虑有效数据

// 序列化过程
private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
    throws java.io.IOException {
    // Write out any hidden serialization magic
    s.defaultWriteObject();

    // 写入链表长度
    s.writeInt(size);

    // 写入节点上的有效数据
    for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next)
        s.writeObject(x.item);
}

// 反序列化过程
private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
    throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
    // Read in any hidden serialization magic
    s.defaultReadObject();

    // 读取链表长度
    int size = s.readInt();
		
    // 读取有效元素并用 linkLast 添加到链表尾部
    for (int i = 0; i < size; i++)
        linkLast((E)s.readObject());
}

2.6 LinkedList 的 clone() 过程

LinkedList 中的 first 和 last 指针是引用类型，因此在 clone() 中需要实现深拷贝。否则，克隆后两个 LinkedList 对象会相互影响：

private LinkedList<E> superClone() {
    try {
        return (LinkedList<E>) super.clone();
    } catch (CloneNotSupportedException e) {
        throw new InternalError(e);
    }
}

public Object clone() {
    LinkedList<E> clone = superClone();

    // Put clone into "virgin" state
    clone.first = clone.last = null;
    clone.size = 0;
    clone.modCount = 0;

    // 将原链表中的数据依次添加到新立案表中
    for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next)
        clone.add(x.item);

    return clone;
}

2.7 LinkedList 如何实现线程安全？

有 5 种方式：

  • 方法 1 - 使用 Collections.synchronizedList 包装类： 原理也是在所有方法上增加 synchronized 关键字；
  • 方法 2 - 使用 ConcurrentLinkedQueue 容器类： 基于 CAS 无锁实现的线程安全队列；
  • 方法 3 - 使用 LinkedBlockingQueue 容器： 基于加锁的阻塞队列，适合于带阻塞操作的生产者消费者模型；
  • 方法 4 - 使用 LinkedBlockingDeque 容器： 基于加锁的阻塞双端队列，适合于带阻塞操作的生产者消费者模型；
  • 方法 5 - 使用 ConcurrentLinkedDeque 容器类： 基于 CAS 无锁实现的线程安全双端队列。

3. 总结

  • 1、LinkedList 是基于链表的线性表，同时具备 List、Queue 和 Stack 的行为；

  • 2、在查询指定位置的节点时，如果索引位置小于 size/2，则从头节点开始找，否则从尾节点开始找；

  • 3、LinkedList 重写了序列化过程，只处理链表节点中有效的元素；

  • 4、LinkedList 和 ArrayList 都不考虑线程同步，不保证线程安全。

在上一篇文章里，我们提到了 List 的数组实现 ArrayList，而 LinkedList 不仅是 List 的链表实现，同时还是 Queue 和 Stack 的链表实现。那么，在 Java 中的 Queue 和 Stack 的数组实现是什么呢，这个我们在下篇文章讨论，请关注。

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Java & Android 集合框架系列文章目录（2023/07/08 更新）：

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