Java中ArrayList和LinkedList区别

1 前言

许多语言，例如 Perl ，Python 和 Ruby ，都有集合的本地支持。有些语言（例如Python）甚至将基本集合组件（列表，映射和集合）作为内置函数包含在其中。

通常，程序总是根据运行时才知道的某些条件去创建新的对象。在此之前，无法知道所需对象的数量甚至确切类型。为了解决这个普遍的编程问题，需要在任意时刻和任意位置创建任意数量的对象。java.util 库提供了一套相当完整的集合类（collection classes）来解决这个问题，其中基本的类型有 List 、 Set 、 Queue 和 Map。这些类型也被称作容器类。

2 数据结构的区别

2.1 ArrayList

ArrayList是基于数组实现的，数组是典型的紧密结构，所以它使用索引在数组中搜索和读取数据快，可以直接返回数组中index位置的元素，因此在随机访问集合元素上有较好的性能。

2.2 LinkedList

LinkedList是基于双链表实现的，链表是典型的跳转结构，插入和删除只是指针指向的修改，所以它插入、删除中间元素快，因此在操作数据方面性能较好。

2.3 使用场景

如果应用程序对数据有较多的随机访问，ArrayList对象要优于LinkedList对象；

如果应用程序有更多的插入或者删除操作，较少的随机访问，LinkedList对象要优于ArrayList对象；

3 源码分析

下面我们通过JDK1.8源码源码分析一下核心功能。

3.1 ArrayList核心源码

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
    
    //默认大小
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
     
    //省略。。。
    
    //动态数组
    transient Object[] elementData; 
    
    //数组大小
    private int size;
    
    //空构造器
    public ArrayList() {
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
    
    // 查询元素
    public E get(int index) {
        // 检查索引是否在范围内
        rangeCheck(index);                    
        return elementData(index);
    }
    
    //顺序添加元素
    public boolean add(E e) {
        //扩容
        ensureCapacityInternal(size + 1); 
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }
    
    //从数组中间添加元素
    public void add(int index, E element) {
        // 检查索引是否在范围内
        rangeCheckForAdd(index);
        // 扩容
        ensureCapacityInternal(size + 1); 
        // 复制数组
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                         size - index);
        // 替换元素
        elementData[index] = element;
        size++;
    }
    
    //是否要扩容
    private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
    }
    
    //确定容量
    private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        modCount++;
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
    }
    
    //计算数组容量
    private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
            return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }
        return minCapacity;
    }
    
    //动态数组扩容放法
    private void grow(int minCapacity) {
        // 
        int oldCapacity = elementData.length;
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            newCapacity = minCapacity;
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
        // 数组复制
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }
    
     //省略。。。
    
  }

总结：

ArrayLis初始化构造器的时候数组为{}，在调用add方法以后默认数组才赋值为新数组，新数组默认长度为10。
通过扩容机制判断原数组是否还有空间，若没有则重新实例化一个空间更大的新数组，把旧数组的数据拷贝到新数组中。
在执行查询操作时，先判断下标是否越界，然后在直接通过下标从数组中返回元素。

3.2 LinkedList核心源码

//JDK1.8
public class LinkedList<E>
    extends AbstractSequentialList<E>
    implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable
{ 
    // 元素数量
    transient int size = 0;
    
    // 链表首节点
    transient Node<E> first;
    
    // 链表尾节点
    transient Node<E> last;
    
    // 空构造器
    public LinkedList() {
        
    }
    
    // Node内部类
    private static class Node<E> {
        E item;
        Node<E> next;
        Node<E> prev;
        Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
            // 中间元素
            this.item = element;
            // 下一个元素地址
            this.next = next;
            // 上一个元素地址
            this.prev = prev;
        }
    }
    
    // 顺序添加元素
    public boolean add(E e) {
        linkLast(e);
        return true;
    }
    
    // 指定位置添加元素
    public void add(int index, E element) {
        // 检查是否越界
        checkPositionIndex(index);    
        // 在链表末尾添加，否则在之前插入元素
        if (index == size)            
            linkLast(element);
        else
            linkBefore(element, node(index));
    }
    
    // 添加元素e
    void linkLast(E e) {
        //把链表中last元素赋给l ，如果是第一个元素则为null
        final Node<E> l = last;
        //把元素封装为一个Node对象
        final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
        //把链表的last元素指向新的元素
        last = newNode;
        //如果添加的是第一个元素
        if (l == null){
            //把链表的first元素指向新的元素
            first = newNode;
        }
        //如果添加的不是第一个元素
        else{
            //把l的下一个元素指向新的元素
            l.next = newNode;            
        }
        //集合中元素数量加1
        size++;
        modCount++;
    }
    
    void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
        final Node<E> pred = succ.prev;
        final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
        succ.prev = newNode;
        if (pred == null)
            first = newNode;
        else
            pred.next = newNode;
        size++;
        modCount++;
    }
    
    //获取元素
    public E get(int index) {
        //检测元素索引
        checkElementIndex(index);
        return node(index).item;
    }
    
    //返回指定元素索引处的（非空）节点
    Node<E> node(int index) {
        //把链表分为两段，如果index在链表的前段，则从前往后找，否则反之
        if (index < (size >> 1)) {
            Node<E> x = first;
            for (int i = 0; i < index; i++)
                x = x.next;
            return x;
        } else {
            Node<E> x = last;
            for (int i = size - 1; i > index; i--)
                x = x.prev;
            return x;
        }
    }
    
    //省略。。。
    
}

总结：

LinkedList的get首先判断需要获取的数据在该链表的前半段还是后半段，这样可以减少需要遍历的数据，由于需要遍历数据，所以获取数据的速度会比ArrayList慢。
由于LinkedList底层是用双向链表实现的，没有初始化大小，也没有扩容的机制。

4 码农来洞见

4.1为什么ArrayList比LinkedList要快

ArrayList和LinkedList本质上每次插入和删除元素都会进行复制数组的操作，如果ArrayList插入操作没有触发数组扩容操作，并且在List靠近末尾的地方插入，那么ArrayList只需要移动较少的数据，而LinkedList则需要一直查找到列表尾部，反而耗费较多时间，这时ArrayList就比LinkedList要快。

4.2 注意ArrayList不同JDK版本源码

JDK1.7中在调用构造器的时候数组长度就初始化为了10，JDK1.8则是在调用add方法后才创建数组长度为10的新数组替换默认空数组。

4.3 高并发下如何保证集合数据的同步

ArrayList和LinkedList都不是线程安全的。然而Vector类被认为是过时的废弃的了。

方案一： Collections.synchronizedList(); 得到一个线程安全的 ArrayList。

方案二： concurrent 并发包下的 CopyOnWriteArrayList 类。

CopyOnWriteArrayList和Collections.synchronizedList是实现线程安全的列表的两种方式。两种实现方式分别针对不同情况有不同的性能表现，其中CopyOnWriteArrayList的写操作性能较差，而多线程的读操作性能较好。而Collections.synchronizedList的写操作性能比CopyOnWriteArrayList在多线程操作的情况下要好很多，而读操作因为是采用了synchronized关键字的方式，其读操作性能并不如CopyOnWriteArrayList。因此在不同的应用场景下，应该选择不同的多线程安全实现类。

4.4 为什么Java的Vector类被认为是过时的或者废弃的

Vector中对每一个独立操作都实现了同步，这通常不是我们想要的做法。对单一操作实现同步通常不是线程安全的（举个例子，比如你想遍历一个Vector实例。你仍然需要申明一个锁来防止其他线程在同一时刻修改这个Vector实例。如果不添加锁的话

通常会在遍历实例的这个线程中导致一个ConcurrentModificationException）同时这个操作也是十分慢的(在创建了一个锁就已经足够的前提下，为什么还需要重复的创建锁)

当然，即使你不需要同步，Vector也是有锁的资源开销的。

来源：https://blog.csdn.net/pangpengshuai/article/details/121276121