ArrayList和LinkedList使用不当,性能差距会如此之大!

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前言

在面试的时候,经常会被问到几个问题:

ArrayList和LinkedList的区别,相信大部分朋友都能回答上:

ArrayList是基于数组实现,LinkedList是基于链表实现

当随机访问List时,ArrayList比LinkedList的效率更高,等等

当被问到ArrayList和LinkedList的使用场景是什么时,大部分朋友的答案可能是:

ArrayList和LinkedList在新增、删除元素时,LinkedList的效率要高于 ArrayList,而在遍历的时候,ArrayList的效率要高于LinkedList

那这个回答是否准确呢?今天我们就来研究研究!


我们先来简单介绍下ArrayList和LinkedList的原理实现!

源码分析

ArrayList

实现类

public class ArrayList<Eextends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccessCloneablejava.io.Serializable

ArrayList实现了List接口,继承了AbstractList抽象类,底层是数组实现的,并且实现了自增扩容数组大小。

ArrayList还实现了Cloneable接口和Serializable接口,所以他可以实现克隆和序列化。

ArrayList还实现了RandomAccess接口,这个接口是一个标志接口,他标志着“只要实现该接口的List类,都能实现快速随机访问”。

基本属性

ArrayList属性主要由数组长度size、对象数组elementData、初始化容量default_capacity等组成, 其中初始化容量默认大小为10。

//默认初始化容量
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
//对象数组
transient Object[] elementData; 
//数组长度
private int size;

从ArrayList属性来看,elementData被关键字transient修饰了,transient关键字修饰该字段则表示该属性不会被序列化。

但ArrayList其实是实现了序列化接口,这是为什么呢?

由于ArrayList的数组是基于动态扩增的,所以并不是所有被分配的内存空间都存储了数据。

如果采用外部序列化法实现数组的序列化,会序列化整个数组,ArrayList为了避免这些没有存储数据的内存空间被序列化,内部提供了两个私有方法writeObject以及readObject来自我完成序列化与反序列化,从而在序列化与反序列化数组时节省了空间和时间。

因此使用transient修饰数组,是防止对象数组被其他外部方法序列化。

ArrayList自定义序列化方法如下:

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初始化

有三种初始化办法:无参数直接初始化、指定大小初始化、指定初始数据初始化,源码如下:

ArrayList和LinkedList使用不当,性能差距会如此之大!

当ArrayList新增元素时,如果所存储的元素已经超过其已有大小,它会计算元素大小后再进行动态扩容,数组的扩容会导致整个数组进行一次内存复制。

因此,我们在初始化ArrayList时,可以通过第一个构造函数合理指定数组初始大小,这样有助于减少数组的扩容次数,从而提高系统性能。

注意点:

ArrayList 无参构造器初始化时,默认大小是空数组,并不是大家常说的 10,10 是在第一次 add 的时候扩容的数组值。

新增元素

ArrayList新增元素的方法有两种,一种是直接将元素加到数组的末尾,另外一种是添加元素到任意位置。

 public boolean add(E e) {
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }

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

        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                         size - index);
        elementData[index] = element;
        size++;
    }

两个方法的相同之处是在添加元素之前,都会先确认容量大小,如果容量够大,就不用进行扩容;如果容量不够大,就会按照原来数组的1.5倍大小进行扩容,在扩容之后需要将数组复制到新分配的内存地址。

下面是具体的源码:

ArrayList和LinkedList使用不当,性能差距会如此之大!

这两个方法也有不同之处,添加元素到任意位置,会导致在该位置后的所有元素都需要重新排列,而将元素添加到数组的末尾,在没有发生扩容的前提下,是不会有元素复制排序过程的。

所以ArrayList在大量新增元素的场景下效率不一定就很慢的

如果我们在初始化时就比较清楚存储数据的大小,就可以在ArrayList初始化时指定数组容量大小,并且在添加元素时,只在数组末尾添加元素,那么ArrayList在大量新增元素的场景下,性能并不会变差,反而比其他List集合的性能要好。

删除元素

ArrayList 删除元素有很多种方式,比如根据数组索引删除、根据值删除或批量删除等等,原理和思路都差不多。

ArrayList在每一次有效的删除元素操作之后,都要进行数组的重组,并且删除的元素位置越靠前,数组重组的开销就越大。

我们选取根据值删除方式来进行源码说明:

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遍历元素

由于ArrayList是基于数组实现的,所以在获取元素的时候是非常快捷的。

public E get(int index) {
        rangeCheck(index);

        return elementData(index);
    }

    elementData(int index) {
        return (E) elementData[index];
    }

LinkedList

LinkedList是基于双向链表数据结构实现的。

这个双向链表结构,链表中的每个节点都可以向前或者向后追溯,有几个概念如下:

  • 链表每个节点我们叫做 Node,Node 有 prev 属性,代表前一个节点的位置,next 属性,代表后一个节点的位置;
  • first 是双向链表的头节点,它的前一个节点是 null。
  • last 是双向链表的尾节点,它的后一个节点是 null;
  • 当链表中没有数据时,first 和 last 是同一个节点,前后指向都是 null;
  • 因为是个双向链表,只要机器内存足够强大,是没有大小限制的。

Node结构中包含了3个部分:元素内容item、前指针prev以及后指针next,代码如下。

private static class Node<E{
    E item;// 节点值
    Node<E> next; // 指向的下一个节点
    Node<E> prev; // 指向的前一个节点

    // 初始化参数顺序分别是:前一个节点、本身节点值、后一个节点
    Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
        this.item = element;
        this.next = next;
        this.prev = prev;
    }
}

LinkedList就是由Node结构对象连接而成的一个双向链表。

实现类

LinkedList类实现了List接口、Deque接口,同时继承了AbstractSequentialList抽象类,LinkedList既实现了List类型又有Queue类型的特点;LinkedList也实现了Cloneable和Serializable接口,同ArrayList一样,可以实现克隆和序列化。

由于LinkedList存储数据的内存地址是不连续的,而是通过指针来定位不连续地址,因此,LinkedList不支持随机快速访问,LinkedList也就不能实现RandomAccess接口。

public class LinkedList
    extends AbstractSequentialList
    implements ListDequeCloneablejava.io.Serializable

基本属性

transient int size = 0;
transient Node first;
transient Node last;

我们可以看到这三个属性都被transient修饰了,原因很简单,我们在序列化的时候不会只对头尾进行序列化,所以LinkedList也是自行实现readObject和writeObject进行序列化与反序列化。

下面是LinkedList自定义序列化的方法。

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节点查询

链表查询某一个节点是比较慢的,需要挨个循环查找才行,我们看看 LinkedList 的源码是如何寻找节点的:

ArrayList和LinkedList使用不当,性能差距会如此之大!

LinkedList 并没有采用从头循环到尾的做法,而是采取了简单二分法,首先看看 index 是在链表的前半部分,还是后半部分。

如果是前半部分,就从头开始寻找,反之亦然。通过这种方式,使循环的次数至少降低了一半,提高了查找的性能。

新增元素

LinkedList添加元素的实现很简洁,但添加的方式却有很多种。

默认的add (Ee)方法是将添加的元素加到队尾,首先是将last元素置换到临时变量中,生成一个新的Node节点对象,然后将last引用指向新节点对象,之前的last对象的前指针指向新节点对象。

ArrayList和LinkedList使用不当,性能差距会如此之大!

LinkedList也有添加元素到任意位置的方法,如果我们是将元素添加到任意两个元素的中间位置,添加元素操作只会改变前后元素的前后指针,指针将会指向添加的新元素,所以相比ArrayList的添加操作来说,LinkedList的性能优势明显。

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删除元素

在LinkedList删除元素的操作中,我们首先要通过循环找到要删除的元素,如果要删除的位置处于List的前半段,就从前往后找;若其位置处于后半段,就从后往前找。

这样做的话,无论要删除较为靠前或较为靠后的元素都是非常高效的,但如果List拥有大量元素,移除的元素又在List的中间段,那效率相对来说会很低。

遍历元素

LinkedList的获取元素操作实现跟LinkedList的删除元素操作基本类似,通过分前后半段来循环查找到对应的元素,但是通过这种方式来查询元素是非常低效的,特别是在for循环遍历的情况下,每一次循环都会去遍历半个List。

所以在LinkedList循环遍历时,我们可以使用iterator方式迭代循环,直接拿到我们的元素,而不需要通过循环查找List。

分析测试

新增元素操作性能测试

测试用例源代码:

  • ArrayList:https://paste.ubuntu.com/p/gktBvjgMGk/
  • LinkedList:https://paste.ubuntu.com/p/3jQrY2XMPr/
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测试结果:

操作 花费时间
从集合头部位置添加元素(ArrayList) 550
从集合头部位置添加元素(LinkedList) 34
从集合中间位置位置添加元素(ArrayList) 32
从集合中间位置位置添加元素(LinkedList) 58746
从集合尾部位置添加元素(ArrayList) 29
从集合尾部位置添加元素(LinkedList) 31

通过这组测试,我们可以知道LinkedList添加元素的效率未必要高于ArrayList。

从集合头部位置添加元素

由于ArrayList是数组实现的,在添加元素到数组头部的时候,需要对头部以后的数据进行复制重排,所以效率很低;

LinkedList是基于链表实现,在添加元素的时候,首先会通过循环查找到添加元素的位置,如果要添加的位置处于List的前半段,就从前往后找;若其位置处于后半段,就从后往前找,因此LinkedList添加元素到头部是非常高效的。

从集合中间位置位置添加元素

ArrayList在添加元素到数组中间时,同样有部分数据需要复制重排,效率也不是很高;

LinkedList将元素添加到中间位置,是添加元素最低效率的,因为靠近中间位置,在添加元素之前的循环查找是遍历元素最多的操作。

从集合尾部位置添加元素

而在添加元素到尾部的操作中,在没有扩容的情况下,ArrayList的效率要高于LinkedList。

这是因为ArrayList在添加元素到尾部的时候,不需要复制重排数据,效率非常高。

LinkedList虽然也不用循环查找元素,但LinkedList中多了new对象以及变换指针指向对象的过程,所以效率要低于ArrayList。

注意:这是排除动态扩容数组容量的情况下进行的测试,如果有动态扩容的情况,ArrayList的效率也会降低。

删除元素操作性能测试

ArrayList和LinkedList删除元素操作测试的结果和添加元素操作测试的结果很接近!

结论:如果需要在List的头部进行大量的插入、删除操作,那么直接选择LinkedList。否则,ArrayList即可。

遍历元素操作性能测试

测试用例源代码:

  • ArrayList:https://paste.ubuntu.com/p/ZNWc9H2pYm/
  • LinkedList:https://paste.ubuntu.com/p/xSk4nHDHvN/
ArrayList和LinkedList使用不当,性能差距会如此之大!

测试结果:

操作 花费时间
for循环(ArrayList) 3
for循环(LinkedList) 17557
迭代器循环(ArrayList) 4
迭代器循环(LinkedList) 4

我们可以看到,LinkedList的for循环性能是最差的,而ArrayList的for循环性能是最好的。

这是因为LinkedList基于链表实现的,在使用for循环的时候,每一次for循环都会去遍历半个List,所以严重影响了遍历的效率;ArrayList则是基于数组实现的,并且实现了RandomAccess接口标志,意味着ArrayList可以实现快速随机访问,所以for循环效率非常高。

LinkedList的迭代循环遍历和ArrayList的迭代循环遍历性能相当,也不会太差,所以在遍历LinkedList时,我们要切忌使用for循环遍历。

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原文始发于微信公众号(Java知音):ArrayList和LinkedList使用不当,性能差距会如此之大!