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JAVA LinkedList和ArrayList的使用及性能分析

編輯:JAVA編程入門知識

第1部分 List概括
List的框架圖

List 是一個接口,它繼承於Collection的接口。它代表著有序的隊列。
AbstractList 是一個抽象類,它繼承於AbstractCollection。AbstractList實現List接口中除size()、get(int location)之外的函數。
AbstractSequentialList 是一個抽象類,它繼承於AbstractList。AbstractSequentialList 實現了“鏈表中,根據index索引值操作鏈表的全部函數”。
ArrayList, LinkedList, Vector, Stack是List的4個實現類。
ArrayList 是一個數組隊列,相當於動態數組。它由數組實現,隨機訪問效率高,隨機插入、隨機刪除效率低。
LinkedList 是一個雙向鏈表。它也可以被當作堆棧、隊列或雙端隊列進行操作。LinkedList隨機訪問效率低,但隨機插入、隨機刪除效率低。
Vector 是矢量隊列,和ArrayList一樣,它也是一個動態數組,由數組實現。但是ArrayList是非線程安全的,而Vector是線程安全的。
Stack 是棧,它繼承於Vector。它的特性是:先進後出(FILO, First In Last Out)。

第2部分 List使用場景
學東西的最終目的是為了能夠理解、使用它。下面先概括的說明一下各個List的使用場景,後面再分析原因。
如果涉及到“棧”、“隊列”、“鏈表”等操作,應該考慮用List,具體的選擇哪個List,根據下面的標准來取捨。
(01) 對於需要快速插入,刪除元素,應該使用LinkedList。
(02) 對於需要快速隨機訪問元素,應該使用ArrayList。
(03)
對於“單線程環境” 或者 “多線程環境,但List僅僅只會被單個線程操作”,此時應該使用非同步的類(如ArrayList)。
對於“多線程環境,且List可能同時被多個線程操作”,此時,應該使用同步的類(如Vector)。

通過下面的測試程序,我們來驗證上面的(01)和(02)結論。參考代碼如下:
代碼如下:

import java.util.*;
import java.lang.Class;
/*
 * @desc 對比ArrayList和LinkedList的插入、隨機讀取效率、刪除的效率
 *
 * @author skywang
 */
public class ListCompareTest {
    private static final int COUNT = 100000;
    private static LinkedList linkedList = new LinkedList();
    private static ArrayList arrayList = new ArrayList();
    private static Vector vector = new Vector();
    private static Stack stack = new Stack();
    public static void main(String[] args) {
        // 換行符
        System.out.println();
        // 插入
        insertByPosition(stack) ;
        insertByPosition(vector) ;
        insertByPosition(linkedList) ;
        insertByPosition(arrayList) ;
        // 換行符
        System.out.println();
        // 隨機讀取
        readByPosition(stack);
        readByPosition(vector);
        readByPosition(linkedList);
        readByPosition(arrayList);
        // 換行符
        System.out.println();
        // 刪除
        deleteByPosition(stack);
        deleteByPosition(vector);
        deleteByPosition(linkedList);
        deleteByPosition(arrayList);
    }
    // 獲取list的名稱
    private static String getListName(List list) {
        if (list instanceof LinkedList) {
            return "LinkedList";
        } else if (list instanceof ArrayList) {
            return "ArrayList";
        } else if (list instanceof Stack) {
            return "Stack";
        } else if (list instanceof Vector) {
            return "Vector";
        } else {
            return "List";
        }
    }
    // 向list的指定位置插入COUNT個元素,並統計時間
    private static void insertByPosition(List list) {
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        // 向list的位置0插入COUNT個數
        for (int i=0; i<COUNT; i++)
            list.add(0, i);
        long endTime = System.currentTimeMillis();
        long interval = endTime - startTime;
        System.out.println(getListName(list) + " : insert "+COUNT+" elements into the 1st position use time:" + interval+" ms");
    }
    // 從list的指定位置刪除COUNT個元素,並統計時間
    private static void deleteByPosition(List list) {
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        // 刪除list第一個位置元素
        for (int i=0; i<COUNT; i++)
            list.remove(0);
        long endTime = System.currentTimeMillis();
        long interval = endTime - startTime;
        System.out.println(getListName(list) + " : delete "+COUNT+" elements from the 1st position use time:" + interval+" ms");
    }
    // 根據position,不斷從list中讀取元素,並統計時間
    private static void readByPosition(List list) {
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        // 讀取list元素
        for (int i=0; i<COUNT; i++)
            list.get(i);
        long endTime = System.currentTimeMillis();
        long interval = endTime - startTime;
        System.out.println(getListName(list) + " : read "+COUNT+" elements by position use time:" + interval+" ms");
    }
}

運行結果如下:
Stack : insert 100000 elements into the 1st position use time:1640 ms
Vector : insert 100000 elements into the 1st position use time:1607 ms
LinkedList : insert 100000 elements into the 1st position use time:29 ms
ArrayList : insert 100000 elements into the 1st position use time:1617 ms
Stack : read 100000 elements by position use time:9 ms
Vector : read 100000 elements by position use time:6 ms
LinkedList : read 100000 elements by position use time:10809 ms
ArrayList : read 100000 elements by position use time:5 ms
Stack : delete 100000 elements from the 1st position use time:1916 ms
Vector : delete 100000 elements from the 1st position use time:1910 ms
LinkedList : delete 100000 elements from the 1st position use time:15 ms
ArrayList : delete 100000 elements from the 1st position use time:1909 ms

從中,我們可以發現:
插入10萬個元素,LinkedList所花時間最短:29ms。
刪除10萬個元素,LinkedList所花時間最短:15ms。
遍歷10萬個元素,LinkedList所花時間最長:10809 ms;而ArrayList、Stack和Vector則相差不多,都只用了幾秒。
考慮到Vector是支持同步的,而Stack又是繼承於Vector的;因此,得出結論:
(01) 對於需要快速插入,刪除元素,應該使用LinkedList。
(02) 對於需要快速隨機訪問元素,應該使用ArrayList。
(03)
對於“單線程環境” 或者 “多線程環境,但List僅僅只會被單個線程操作”,此時應該使用非同步的類。

 
第3部分 LinkedList和ArrayList性能差異分析
下面我們看看為什麼LinkedList中插入元素很快,而ArrayList中插入元素很慢!
LinkedList.java中向指定位置插入元素的代碼如下:
代碼如下:

// 在index前添加節點,且節點的值為element
public void add(int index, E element) {
    addBefore(element, (index==size ? header : entry(index)));
}
// 獲取雙向鏈表中指定位置的節點
private Entry<E> entry(int index) {
    if (index < 0 || index >= size)
        throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+
                                            ", Size: "+size);
    Entry<E> e = header;
    // 獲取index處的節點。
    // 若index < 雙向鏈表長度的1/2,則從前向後查找;
    // 否則,從後向前查找。
    if (index < (size >> 1)) {
        for (int i = 0; i <= index; i++)
            e = e.next;
    } else {
        for (int i = size; i > index; i--)
            e = e.previous;
    }
    return e;
}
// 將節點(節點數據是e)添加到entry節點之前。
private Entry<E> addBefore(E e, Entry<E> entry) {
    // 新建節點newEntry,將newEntry插入到節點e之前;並且設置newEntry的數據是e
    Entry<E> newEntry = new Entry<E>(e, entry, entry.previous);
    // 插入newEntry到鏈表中
    newEntry.previous.next = newEntry;
    newEntry.next.previous = newEntry;
    size++;
    modCount++;
    return newEntry;
}

從中,我們可以看出:通過add(int index, E element)向LinkedList插入元素時。先是在雙向鏈表中找到要插入節點的位置index;找到之後,再插入一個新節點。
雙向鏈表查找index位置的節點時,有一個加速動作:若index < 雙向鏈表長度的1/2,則從前向後查找; 否則,從後向前查找。
接著,我們看看ArrayList.java中向指定位置插入元素的代碼。如下:
代碼如下:

// 將e添加到ArrayList的指定位置
public void add(int index, E element) {
    if (index > size || index < 0)
        throw new IndexOutOfBoundsException(
        "Index: "+index+", Size: "+size);
    ensureCapacity(size+1);  // Increments modCount!!
    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
         size - index);
    elementData[index] = element;
    size++;
}

ensureCapacity(size+1) 的作用是“確認ArrayList的容量,若容量不夠,則增加容量。”
真正耗時的操作是 System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index);
Sun JDK包的java/lang/System.java中的arraycopy()聲明如下:
public static native void arraycopy(Object src, int srcPos, Object dest, int destPos, int length);
arraycopy()是個JNI函數,它是在JVM中實現的。sunJDK中看不到源碼,不過可以在OpenJDK包中看到的源碼。網上有對arraycopy()的分析說明,請參考:System.arraycopy源碼分析
實際上,我們只需要了解: System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index); 會移動index之後所有元素即可。這就意味著,ArrayList的add(int index, E element)函數,會引起index之後所有元素的改變!

通過上面的分析,我們就能理解為什麼LinkedList中插入元素很快,而ArrayList中插入元素很慢。
“刪除元素”與“插入元素”的原理類似,這裡就不再過多說明。

接下來,我們看看 “為什麼LinkedList中隨機訪問很慢,而ArrayList中隨機訪問很快”。
先看看LinkedList隨機訪問的代碼
代碼如下:

// 返回LinkedList指定位置的元素
public E get(int index) {
    return entry(index).element;
}
// 獲取雙向鏈表中指定位置的節點
private Entry<E> entry(int index) {
    if (index < 0 || index >= size)
        throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+
                                            ", Size: "+size);
    Entry<E> e = header;
    // 獲取index處的節點。
    // 若index < 雙向鏈表長度的1/2,則從前先後查找;
    // 否則,從後向前查找。
    if (index < (size >> 1)) {
        for (int i = 0; i <= index; i++)
            e = e.next;
    } else {
        for (int i = size; i > index; i--)
            e = e.previous;
    }
    return e;
}

從中,我們可以看出:通過get(int index)獲取LinkedList第index個元素時。先是在雙向鏈表中找到要index位置的元素;找到之後再返回。
雙向鏈表查找index位置的節點時,有一個加速動作:若index < 雙向鏈表長度的1/2,則從前向後查找; 否則,從後向前查找。
下面看看ArrayList隨機訪問的代碼
代碼如下:

// 獲取index位置的元素值
public E get(int index) {
    RangeCheck(index);
    return (E) elementData[index];
}
private void RangeCheck(int index) {
    if (index >= size)
        throw new IndexOutOfBoundsException(
        "Index: "+index+", Size: "+size);
}

從中,我們可以看出:通過get(int index)獲取ArrayList第index個元素時。直接返回數組中index位置的元素,而不需要像LinkedList一樣進行查找。
第3部分 Vector和ArrayList比較
相同之處
1 它們都是List
它們都繼承於AbstractList,並且實現List接口。
ArrayList和Vector的類定義如下:
代碼如下:

// ArrayList的定義
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
// Vector的定義
public class Vector<E> extends AbstractList<E>
    implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {}


2 它們都實現了RandomAccess和Cloneable接口
實現RandomAccess接口,意味著它們都支持快速隨機訪問;
實現Cloneable接口,意味著它們能克隆自己。

3 它們都是通過數組實現的,本質上都是動態數組
ArrayList.java中定義數組elementData用於保存元素
// 保存ArrayList中數據的數組
private transient Object[] elementData;
Vector.java中也定義了數組elementData用於保存元素
// 保存Vector中數據的數組
protected Object[] elementData;

4 它們的默認數組容量是10
 若創建ArrayList或Vector時,沒指定容量大小;則使用默認容量大小10。
ArrayList的默認構造函數如下:
代碼如下:

// ArrayList構造函數。默認容量是10。
public ArrayList() {
    this(10);
}
Vector的默認構造函數如下:
// Vector構造函數。默認容量是10。
public Vector() {
    this(10);
}

5 它們都支持Iterator和listIterator遍歷
它們都繼承於AbstractList,而AbstractList中分別實現了 “iterator()接口返回Iterator迭代器” 和 “listIterator()返回ListIterator迭代器”。

 
不同之處
1 線程安全性不一樣
ArrayList是非線程安全;
而Vector是線程安全的,它的函數都是synchronized的,即都是支持同步的。
ArrayList適用於單線程,Vector適用於多線程。
2 對序列化支持不同
 ArrayList支持序列化,而Vector不支持;即ArrayList有實現java.io.Serializable接口,而Vector沒有實現該接口。
3 構造函數個數不同
ArrayList有3個構造函數,而Vector有4個構造函數。Vector除了包括和ArrayList類似的3個構造函數之外,另外的一個構造函數可以指定容量增加系數。
ArrayList的構造函數如下:
代碼如下:

// 默認構造函數
ArrayList()
// capacity是ArrayList的默認容量大小。當由於增加數據導致容量不足時,容量會添加上一次容量大小的一半。
ArrayList(int capacity)
// 創建一個包含collection的ArrayList
ArrayList(Collection<? extends E> collection)
Vector的構造函數如下:
// 默認構造函數
Vector()
// capacity是Vector的默認容量大小。當由於增加數據導致容量增加時,每次容量會增加一倍。
Vector(int capacity)
// 創建一個包含collection的Vector
Vector(Collection<? extends E> collection)
// capacity是Vector的默認容量大小,capacityIncrement是每次Vector容量增加時的增量值。
Vector(int capacity, int capacityIncrement)

4 容量增加方式不同
逐個添加元素時,若ArrayList容量不足時,“新的容量”=“(原始容量x3)/2 + 1”。
而Vector的容量增長與“增長系數有關”,若指定了“增長系數”,且“增長系數有效(即,大於0)”;那麼,每次容量不足時,“新的容量”=“原始容量+增長系數”。若增長系數無效(即,小於/等於0),則“新的容量”=“原始容量 x 2”。
ArrayList中容量增長的主要函數如下:
代碼如下:

public void ensureCapacity(int minCapacity) {
    // 將“修改統計數”+1
    modCount++;
    int oldCapacity = elementData.length;
    // 若當前容量不足以容納當前的元素個數,設置 新的容量=“(原始容量x3)/2 + 1”
    if (minCapacity > oldCapacity) {
        Object oldData[] = elementData;
        int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1;
        if (newCapacity < minCapacity)
            newCapacity = minCapacity;
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }
}

Vector中容量增長的主要函數如下:
代碼如下:

private void ensureCapacityHelper(int minCapacity) {
    int oldCapacity = elementData.length;
    // 當Vector的容量不足以容納當前的全部元素,增加容量大小。
    // 若 容量增量系數>0(即capacityIncrement>0),則將容量增大當capacityIncrement
    // 否則,將容量增大一倍。
    if (minCapacity > oldCapacity) {
        Object[] oldData = elementData;
        int newCapacity = (capacityIncrement > 0) ?
            (oldCapacity + capacityIncrement) : (oldCapacity * 2);
        if (newCapacity < minCapacity) {
            newCapacity = minCapacity;
        }
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }
}


5 對Enumeration的支持不同。Vector支持通過Enumeration去遍歷,而List不支持
Vector中實現Enumeration的代碼如下:
代碼如下:

public Enumeration<E> elements() {
    // 通過匿名類實現Enumeration
    return new Enumeration<E>() {
        int count = 0;
        // 是否存在下一個元素
        public boolean hasMoreElements() {
            return count < elementCount;
        }
        // 獲取下一個元素
        public E nextElement() {
            synchronized (Vector.this) {
                if (count < elementCount) {
                    return (E)elementData[count++];
                }
            }
            throw new NoSuchElementException("Vector Enumeration");
        }
    };
}

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