ArrayList和LinkedList区别

数组和链表的区别

• 数组

处理一组数据类型相同的数据。但是不允许动态定义数组的大小，即在使用数组之前必须确定数组的大小。这样数组中的有些空间可能不被使用，从而造成内存空间的浪费。当数据增加时，可能超出原先定义的元素个数，造成数组越界。数组插入删除时需要移动其他数据项。但是查询方便。
数组从栈中分配空间，对于程序员方便快速，数组无需初始化，因为数组元素在内存的栈区，系统自动申请空间。但是自由度小。数组元素在内存中连续。

• 链表

链表动态的进行存储分配，可以适应数据动态地增减的情况，且可以方便地插入、删除数据项。链表插入和删除时，只需要改变个别元素之间的关系，这大大提高了链表的删除和插入的速度。查询时需要从前往后遍历。
链表从堆中分配空间，自由度大，但是申请管理比较麻烦，链表的结点元素在内存的堆区，每个元素须手动申请空间。链表在内存中不一定连续。

ArrayList

¶简介

/**
 * Default initial capacity.
 * ArrayList 默认的数组容量
 */
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

/**
 * Shared empty array instance used for empty instances.
 *  用于空实例的共享空数组实例
 */
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.
 * 另一个共享空数组实例，用的不多,用于区别上面的EMPTY_ELEMENTDATA
 */
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底层的容器  
 */
// Android-note: Also accessed from java.util.Collections
transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access

/**
 * The size of the ArrayList (the number of elements it contains).
 * 当前存放了多少个元素   并非数组大小
 */
private int size;

ArrayList是基于动态数组的数据结构。实现了list接口，是以数组的方式实现的。所谓动态数组是这样实现的，如果没有指定数组的大小，则申请默认大小为10 的数组，当元素个数增加，数据无法存储时，系统会另外申请一个长度为当前长度的1.5倍的数组，然后把之前的数据拷贝到新建的数组中。
数组的特征是可以使用索引的方式来快速定位对象的位置。适合读取数据。

¶ArrayList源码分析

¶添加

/**
* 添加指定元素到末尾
*/
public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }

    ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;

    // overflow-conscious code
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);
}

//扩容
private void grow(int minCapacity) {
    // overflow-conscious code
    //1. 记录之前的数组长度
    int oldCapacity = elementData.length;
    //2. 新数组的大小=老数组大小+老数组大小的一半
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    //3. 判断上面的扩容之后的大小newCapacity是否够装minCapacity个元素
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
          //4.判断新数组容量是否大于最大值
//如果新数组容量比最大值(Integer.MAX_VALUE - 8)还大,那么交给hugeCapacity()去处理,该抛异常则抛异常
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
    //5. 复制数组,注意,这里是浅复制
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);

private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
    if (minCapacity < 0) // overflow
        throw new OutOfMemoryError();
    return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
        Integer.MAX_VALUE :
        MAX_ARRAY_SIZE;
}

1. 首先判断添加一个元素是否会导致数组溢出
2. 判断是否溢出:如果原数组为空，那么第一次添加数组时会给数组一个默认大小10，接着判断是否溢出，如果溢出则去扩容，扩容规则：新数组是原数组大小的1.5倍，最后通过Arrays.copyOf()去浅复制
3. 添加元素到末尾

¶获取

/**
 * 返回指定位置处元素
*/
public E get(int index) {
    if (index >= size)
        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));

    return (E) elementData[index];
}

通过下标获得数组中的元素

¶移除

public E remove(int index) {
    if (index >= size)
        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));

    modCount++;
    E oldValue = (E) elementData[index];
//    复制的长度
    int numMoved = size - index - 1;
    if (numMoved > 0)
    //数组之间的复制 
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                         numMoved);
    elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work

    return oldValue;
}

public static native void arraycopy (Object src,//源数组
                             int srcPos,//源数组要复制的起始位置
                             Object dest,//目的数组
                             int destPos,//目的数组放置的起始位置
                             int length)//复制的长度

数组自己复制自己，跳过需要移除的下标元素

¶修改

public E set(int index, E element) {
    if (index >= size)
        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));

    E oldValue = (E) elementData[index];
    elementData[index] = element;
    return oldValue;
}

替换index索引处的元素为element,可能会抛出IndexOutOfBoundsException.这里比较简单,就是将index处的元素替换成element

¶ArrayList总结

1. 底层是object数组存数据
2. 扩容机制：默认大小是10，扩容是扩容到之前的1.5倍大小，每次扩容是将原数组中的数据复制到新的数组中
3. 添加:如果是添加到数组的指定位置,那么可能会挪动大量的数组元素,并且可能会触发扩容机制;如果是添加到末尾的话,那么只可能触发扩容机制.
4. 删除:如果是删除数组指定位置的元素,那么可能会挪动大量的数组元素;如果是删除末尾元素的话,那么代价是最小的. ArrayList里面的删除元素,其实是将该元素置为null.
5. 查询和改某个位置的元素是非常快的( O(1) ).

LinkedList

¶简介

• LinkedList 是一个继承于AbstractSequentialList的双向链表。它也可以被当作堆栈、队列或双端队列进行操作。有关索引的操作可能从链表头开始遍历到链表尾部，也可能从尾部遍历到链表头部，这取决于看索引更靠近哪一端。
• LinkedList 实现 List 接口，能对它进行队列操作。
• LinkedList 实现 Deque 接口，即能将LinkedList当作双端队列使用。
• LinkedList 实现了Cloneable接口，即覆盖了函数clone()，能克隆。
• LinkedList 实现java.io.Serializable接口，这意味着LinkedList支持序列化，能通过序列化去传输。
• LinkedList 是非同步的。

¶LinkedList源码分析

¶内部结构

LinkedList内部是一个双向链表的结构
关键字transient 序列化对象的时候，这个属性就不会序列化到指定的目的地中

transient int size = 0;

/**
 * Pointer to first node. 指向链表头部
 */
transient Node<E> first;

/**
 * Pointer to last node.指向链表尾部
 */
transient Node<E> last;

private static class Node<E> {
    E item;
    Node<E> next;
    Node<E> prev;

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

¶构造函数

默认构造方法是空的，什么都没做，表示初始化的时候size为0，first和last的节点都为空：

/**
 * Constructs an empty list.
 */
public LinkedList() {
}

带Collection值得对象作为入参的构造函数

/**
 * Constructs a list containing the elements of the specified
 * collection, in the order they are returned by the collection's
 * iterator.
 *
 * @param  c the collection whose elements are to be placed into this list
 * @throws NullPointerException if the specified collection is null
 */
public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
    this();//调用默认的无参构造函数
    addAll(c);
}

¶添加

¶add(E e) 添加到链表末尾

/**
 * Appends the specified element to the end of this list.
 *
 * <p>This method is equivalent to {@link #addLast}.
 *
 * @param e element to be appended to this list
 * @return {@code true} (as specified by {@link Collection#add})
 */
public boolean add(E e) {
    linkLast(e);
    return true;
}
 /**
 * Links e as last element.
 */
void linkLast(E e) {
// 记录 尾结点
    final Node<E> l = last;
    //新加一个尾结点
    final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
    //新的尾结点赋值给链表的尾结点
    last = newNode;
    //如果之前的尾结点为空
    if (l == null)
        first = newNode;//链表的头结点=尾结点=新结点 (相当于空链表插入第一个元素,头结点等于尾节点)
    else//如果不为空，
        l.next = newNode;//将之前的尾结点的next指针指向新的结点
    //增加链表长度
    size++;
    modCount++;
}

add(E e)添加成功返回true,添加失败返回false.分配内存空间不是必须是连续的,所以只要是还能给它分配空间,就不会添加失败.当空间不够分配时(内存溢出),会抛出OutOfMemory.

¶addLast(E e) 添加元素到末尾

内部实现和add(E e)一样

 /**
 * Appends the specified element to the end of this list.
 *
 * <p>This method is equivalent to {@link #add}.
 *
 * @param e the element to add
 */
public void addLast(E e) {
    linkLast(e);
}

¶addFirst(E e) 添加元素到链表头部

/**
 * Inserts the specified element at the beginning of this list.
 *
 * @param e the element to add
 */
public void addFirst(E e) {
    linkFirst(e);
}

/**
 * Links e as first element.
 */
private void linkFirst(E e) {
 //记录头结点
    final Node<E> f = first;
    //新建头结点
    final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
    //新建的结点赋值给链表的头结点
    first = newNode;
    //如果之前头结点为空
    if (f == null)
        last = newNode;//头结点=尾结点=新建的结点 （相当于空链表插入第一个元素,头结点等于尾节点）
    else //如果不为空
        f.prev = newNode;//之前头结点的 prev指针指向 新建的结点
    //增减链表长度
    size++;
    modCount++;
}

¶add(int index, E element) 添加元素到指定位置

可能会抛出IndexOutOfBoundsException

/**
 * Inserts the specified element at the specified position in this list.
 * Shifts the element currently at that position (if any) and any
 * subsequent elements to the right (adds one to their indices).
 *
 * @param index index at which the specified element is to be inserted
 * @param element element to be inserted
 * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
 */
public void add(int index, E element) {
//检查是否越界
    checkPositionIndex(index);

    if (index == size)
        linkLast(element);//和 add(E e) 添加到链表末尾相同
    else
        linkBefore(element, node(index));
}
/**
*检查是否越界
*/
    private void checkPositionIndex(int index) {
    if (!isPositionIndex(index))
        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
/**
 * Returns the (non-null) Node at the specified element index.
 * 返回指定元素索引处的（非空）节点。
 */
Node<E> node(int index) {
    // assert isElementIndex(index);
//如果index在链表的前半部分,那么从first开始往后查找;否则,从last往前面查找
    if (index < (size >> 1)) {
    //记录第一个节点
        Node<E> x = first;
        //循环从第一个节点开始往后查，直到达到index处，返回index处元素
        for (int i = 0; i < index; i++)
            x = x.next;
        return x;
    } else {
    //index在链表的后半部分，记录最后一个节点
        Node<E> x = last;
        //循环从最后一个节点开始往前查，直到达到index处，返回index处的元素
        for (int i = size - 1; i > index; i--)
            x = x.prev;
        return x;
    }
}

/**
 * Inserts element e before non-null Node succ.
 * 在非null节点succ之前插入元素e。
 */
void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
    // assert succ != null;
    //记录succ的前一个结点
    final Node<E> pred = succ.prev;
    //新建一个结点，前结点是pred  ,数据是e,下一个结点是succ
    final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
    //将新的结点赋值给 succ的前结点
    succ.prev = newNode;
    //如果之前的succ的前一个结点 pred  为空
    if (pred == null)
        first = newNode;//如果为空,那么说明succ是之前的头节点.现在新节点在succ的前面,所以新节点是头节点
    else
        pred.next = newNode;//否则，直接将succ的前一个节点pred指向新节点就可以了
    //增加链表长度
    size++;
    modCount++;
}

1. 首先判断插入的位置是在链表的最后还在在中间
2. 如果是插入到链表的末尾，那么将之前的尾结点指向新的结点
3. 如果是插入到链表中间
4. 需要找到index 处的结点
5. 将新结点赋值给index处结点的前一个（prev）结点
6. 将index处结点的前一个结点的next指针指向新结点

¶将指定集合的所有元素插入到末尾位置

public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
    return addAll(size, c);
}
 /**
 * Inserts all of the elements in the specified collection into this
 * list, starting at the specified position.  Shifts the element
 * currently at that position (if any) and any subsequent elements to
 * the right (increases their indices).  The new elements will appear
 * in the list in the order that they are returned by the
 * specified collection's iterator.
 *
 * @param index index at which to insert the first element
 *              from the specified collection
 * @param c collection containing elements to be added to this list
 * @return {@code true} if this list changed as a result of the call
 * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
 * @throws NullPointerException if the specified collection is null
 */
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
    //1. 检查是否越界
    checkPositionIndex(index);
    //将插入的集合转成数组
    Object[] a = c.toArray();
    // 记录插入元素集合的个数
    int numNew = a.length;
     如果个数为0,那么插入失败,不继续执行了
    if (numNew == 0)
        return false;

    Node<E> pred, succ;// 目标索引的前一个结点，目标索引的结点
    //判断下插入的index和链表size是否相等，相等则相当于在链表末尾插入
    if (index == size) {
        succ = null;//index 处结点为null
        pred = last;// indext处前结点 为尾结点
    } else {//否则，插入中间
        succ = node(index);//找到index 处结点
        pred = succ.prev;//记录index处前一个结点
    }
    //循环将集合中所有元素连接到pred后面
    for (Object o : a) {
        @SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) o;
        Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, null);
        //如果前一个是空,那么将新节点作为头结点
        if (pred == null)
            first = newNode;
        else
            pred.next = newNode;//指向新节点
            pred = newNode;
    }
    //判断succ是否为空，为空的话,那么集合的最后一个元素就是尾节点
    if (succ == null) {
        last = pred;
    } else {//非空的话,那么将succ连接到集合的最后一个元素后面
        pred.next = succ;
        succ.prev = pred;
    }
    //8. 链表长度+numNew
    size += numNew;
    modCount++;
    return true;
}

¶offer() offerLast(E e) 添加元素到链表尾部

/**
 * Adds the specified element as the tail (last element) of this list.
 *
 * @param e the element to add
 * @return {@code true} (as specified by {@link Queue#offer})
 * @since 1.5
 */
public boolean offer(E e) {
    return add(e);
}

 /**
 * Inserts the specified element at the end of this list.
 *
 * @param e the element to insert
 * @return {@code true} (as specified by {@link Deque#offerLast})
 * @since 1.6
 */
public boolean offerLast(E e) {
    addLast(e);
    return true;
}

¶offerFirst(E e) 添加元素到链表头部

 /**
 * Inserts the specified element at the front of this list.
 *
 * @param e the element to insert
 * @return {@code true} (as specified by {@link Deque#offerFirst})
 * @since 1.6
 */
public boolean offerFirst(E e) {
    addFirst(e);
    return true;
}

¶删除

¶E remove()，removeFirst() 移除链表第一个元素

/**
 * Retrieves and removes the head (first element) of this list.
 *移除链表第一个元素
 * @return the head of this list
 * @throws NoSuchElementException if this list is empty
 * @since 1.5
 */
public E remove() {
    return removeFirst();
}
/**
 * Removes and returns the first element from this list.
 *移除和返回 链表的第一个元素
 * @return the first element from this list
 * @throws NoSuchElementException if this list is empty
 */
public E removeFirst() {
    final Node<E> f = first;
    if (f == null)
        throw new NoSuchElementException();
    return unlinkFirst(f);
}
/**
 * Unlinks non-null first node f.
 * 将第一个结点删掉
 */
private E unlinkFirst(Node<E> f) {
    // assert f == first && f != null;
    //记录第一个结点的数据值
    final E element = f.item;
    //记录下一个结点
    final Node<E> next = f.next;
    //将第一个结点置空，帮助Gc 回收
    f.item = null;
    f.next = null; // help GC
    //将之前头结点的下一个结点 赋值为头结点
    first = next;
    //如果为空，则链表没有结点了，
    if (next == null)
        last = null;
    else//否则，将新节点的prev指针置为空
        next.prev = null;
     //链表长度 -1
    size--;
    modCount++;
    // 返回删除结点的数据值
    return element;
}
/**
 * The number of times this list has been <i>structurally modified</i>.
 * Structural modifications are those that change the size of the
 * list, or otherwise perturb it in such a fashion that iterations in
 * progress may yield incorrect results.
 */
 protected transient int modCount = 0;

¶E remove(int index) 移除指定位置元素

/**
 * Removes the element at the specified position in this list.  Shifts any
 * subsequent elements to the left (subtracts one from their indices).
 * Returns the element that was removed from the list.
 */
public E remove(int index) {
////检查入参是否合法/越界
    checkElementIndex(index);
    ////node(index)找到index处的节点  
    return unlink(node(index));//删除index处的结点
}

¶removeLastOccurrence(Object o) 从此链表中删除最后一次出现的指定元素o.

/**
 * Removes the last occurrence of the specified element in this
 * list (when traversing the list from head to tail).  If the list
 * does not contain the element, it is unchanged.
 * 遍历时是从尾节点开始往前查找的.
 */
public boolean removeLastOccurrence(Object o) {
    if (o == null) {
        for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) {
            if (x.item == null) {
                unlink(x);
                return true;
            }
        }
    } else {
        for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) {
            if (o.equals(x.item)) {
                unlink(x);
                return true;
            }
        }
    }
    return false;
}

¶E poll() 获取第一个元素的同时删除第一个元素,当链表无节点时,不会报错.

/**
 * Retrieves and removes the head (first element) of this list.
 *
 * @return the head of this list, or {@code null} if this list is empty
 * @since 1.5
 */
public E poll() {
    final Node<E> f = first;
    return (f == null) ? null : unlinkFirst(f);
}

¶E pop() 获取第一个元素的同时删除第一个元素,当链表无节点时,会报错.

/**
 * Pops an element from the stack represented by this list.  In other
 * words, removes and returns the first element of this list.
 *
 * <p>This method is equivalent to {@link #removeFirst()}.
 *
 * @return the element at the front of this list (which is the top
 *         of the stack represented by this list)
 * @throws NoSuchElementException if this list is empty
 * @since 1.6
 */
public E pop() {
    return removeFirst();
}

¶修改

¶E set(int index, E element) 设置index处节点数据值为element

/**
 * Replaces the element at the specified position in this list with the
 * specified element.
 *
 * @param index index of the element to replace
 * @param element element to be stored at the specified position
 * @return the element previously at the specified position
 * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
 */
public E set(int index, E element) {
    //检查是否越界
    checkElementIndex(index);
    //找到index处节点
    Node<E> x = node(index);
    //保存该节点旧值
    E oldVal = x.item;
    //替换为新值
    x.item = element;
     //将旧值返回
    return oldVal;
}

¶查询

¶E element() E getFirst() 获取链表第一个元素. 方法比较简单,就是将链表头节点数据值进行返回

/**
 * Retrieves, but does not remove, the head (first element) of this list.
 *
 * @return the head of this list
 * @throws NoSuchElementException if this list is empty
 * @since 1.5
 */
public E element() {
    return getFirst();
}
/**
 * Returns the first element in this list.
 *
 * @return the first element in this list
 * @throws NoSuchElementException if this list is empty
 */
public E getFirst() {
    final Node<E> f = first;
    if (f == null)
        throw new NoSuchElementException();
    return f.item;
}

¶E getLast() 获取链表最后一个元素. 非常简单,就是将last的数据值返回

 /**
 * Returns the last element in this list.
 *
 * @return the last element in this list
 * @throws NoSuchElementException if this list is empty
 */
public E getLast() {
    final Node<E> l = last;
    if (l == null)
        throw new NoSuchElementException();
    return l.item;
}

¶E get(int index) 获取指定索引处元素. 就是通过node(index)找到index索引处节点,然后返回其数据值

/**
 * Returns the element at the specified position in this list.
 *
 * @param index index of the element to return
 * @return the element at the specified position in this list
 * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
 */
public E get(int index) {
    checkElementIndex(index);
    return node(index).item;
}

¶ArrayList与LinkedList使用场景

• 对于随机访问get和set，ArrayList觉得优于LinkedList，因为LinkedList要移动指针。
• 对于新增和删除操作add和remove，LinedList比较占优势，因为ArrayList要移动数据。