关于android:说一下-ArrayList-和-LinkedList-的区别

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前言

大家好，我是小彭。

在上一篇文章里，咱们聊到了基于动静数组 ArrayList 线性表，明天咱们来探讨一个基于链表的线性表 —— LinkedList。

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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、线程平安： ArrayList 和 LinkedList 都不思考线程同步，不保障线程平安；

• 3、底层实现： 在底层实现上，ArrayList 是基于动静数组的，而 LinkedList 是基于双向链表的。事实上，它们很多个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： 数组是一块间断内存空间，基于局部性原理可能更好地命中 CPU 缓存行，而链表是离散的内存空间对缓存行不敌对；
  • 在访问速度上： 数组是一块间断内存空间，反对 O(1) 工夫复杂度随机拜访，而链表须要 O(n) 工夫复杂度查找元素；
  • 在增加和删除操作上： 如果是在数组的开端操作只须要 O(1) 工夫复杂度，但在数组两头操作须要搬运元素，所以须要 O(n) 工夫复杂度，而链表的删除操作自身只是批改援用指向，只须要 O(1) 工夫复杂度（如果思考查问被删除节点的工夫，复杂度剖析上仍然是 O(n)，在工程剖析上还是比数组快）；
  • 额定内存耗费上： ArrayList 在数组的尾部减少了闲置地位，而 LinkedList 在节点上减少了前驱和后继指针。

1.2 LinkedList 的多面人生

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

Deque 接口示意一个双端队列（Double Ended Queue），容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：

Queue 的 API 能够分为 2 类，区别在于办法的回绝策略上：

• 抛异样：

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

• 返回非凡值：

  • 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 没有提供规范的栈接口（很好奇为什么不提供），而是放在 Deque 接口中：

除了规范的队列和栈行为，Deque 接口还提供了 12 个在两端操作的办法：

2. LinkedList 源码剖析

这一节，咱们来剖析 LinkedList 中次要流程的源码。

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 的属性很好了解的，不出意外的话又有小朋友进去举手发问了：

• 🙋🏻‍♀️ 疑难 1：为什么字段都不申明 private 关键字？

这个问题间接答复吧。我的了解是：因为外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，那么编译器就须要通过办法调用，而 non-private 字段就能够间接拜访字段。

• 🙋🏻‍♀️ 疑难 2：为什么字段都申明 transient 关键字？

这个问题咱们在剖析源码的过程中答复。

疑难比 ArrayList 少很多，LinkedList 真香（还是别快乐得太早吧）。

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

    // 疑难 1：为什么字段都不申明 private 关键字？// 疑难 2：为什么字段都申明 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、带汇合的结构： 在链表开端增加整个汇合，外部调用了 addAll 办法将整个汇合增加到数组的开端。

// 无参构造方法
public LinkedList() {}

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

// 在链表尾部增加汇合
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
    // 索引为 size，等于在链表尾部增加
    return addAll(size, c);
}

2.3 LinkedList 的增加办法

LinkedList 提供了十分多的 addXXX 办法，外部都是调用一系列 linkFirst、linkLast 或 linkBefore 实现的。如果在链表两头增加节点时，会用到 node(index) 办法查问指定地位的节点。

其实，咱们会发现所有增加的逻辑都能够用 6 个步骤概括：

• 步骤 1： 找到插入地位的后继节点（在头部插入就是 first，在尾部插入就是 null）；
• 步骤 2： 结构新节点；
• 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）。

剖析一下增加办法的工夫复杂度，辨别在链表两端或两头增加元素的状况共：

• 如果是在链表首尾两端增加： 只须要 O(1) 工夫复杂度；
• 如果在链表两头增加： 因为须要定位到增加地位的前驱和后继节点，所以须要 O(n) 工夫复杂度。如果当时曾经取得了增加地位的节点，就只须要 O(1) 工夫复杂度。

增加办法

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)
        // 在尾部增加
        linkLast(element);
    else
        // 在指定地位增加
        linkBefore(element, node(index));
}

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

// 在链表头部增加
private void linkFirst(E e) {
    // 1. 找到插入地位的后继节点（first）final Node<E> f = first;
    // 2. 结构新节点
    // 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);
    // 批改 first 指针
    first = newNode;
    if (f == null)
        // f 为 null 阐明首个增加的元素，须要批改 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++;
}

// 在链表尾部增加
void linkLast(E e) {
    final Node<E> l = last;
    // 1. 找到插入地位的后继节点（null）// 2. 结构新节点
    // 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);
    // 批改 last 指针
    last = newNode;
    if (l == null)
        // l 为 null 阐明首个增加的元素，须要批改 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++;
}

// 在指定节点前增加
// 1. 找到插入地位的后继节点
void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
    final Node<E> pred = succ.prev;
    // 2. 结构新节点
    // 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++;
}

// 在指定地位增加整个汇合元素
// index 为 0：在链表头部增加
// index 为 size：在链表尾部增加
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {checkPositionIndex(index);
    // 事实上，c.toArray() 的理论类型不肯定是 Object[]，有可能是 String[] 等
    // 不过，咱们是通过 Node 中的 item 承接的，所以不必放心 ArrayList 中的 ArrayStoreException 问题
    Object[] a = c.toArray();
    // 增加的数组为空，跳过
    int numNew = a.length;
    if (numNew == 0)
        return false;

    // 1. 找到插入地位的后继节点
    // pred：插入地位的前驱节点
    // succ：插入地位的后继节点
    Node<E> pred, succ;
    if (index == size) {
        succ = null;
        pred = last;
    } else {
        // 找到 index 地位本来的节点，插入后变成后继节点
        succ = node(index);
        pred = succ.prev;
    }
    // 插入汇合元素
    for (Object o : a) {E e = (E) o;
        // 2. 结构新节点
        // 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 阐明是在头部插入，须要批改 first 指针
            first = newNode;
        else
            // 5. 将前驱节点的 next 指针指向新节点
            pred.next = newNode;
        // 批改前驱指针
        pred = newNode;
    }

    if (succ == null) {
        // succ 为 null 阐明是在尾部插入，须要批改 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;
    }
    // 数量减少 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;
}

在链表两头增加节点时，会用到 node(index) 办法查问指定地位的节点。能够看到维持 first 和 last 头尾节点的作用又施展进去了：

• 如果索引地位小于 size/2，则从头节点开始找；
• 如果索引地位大于 size/2，则从尾节点开始找。

尽管，咱们从复杂度剖析的角度看，从哪个方向查问是没有区别的，工夫复杂度都是 O(n)。但从工程剖析的角度看还是有区别的，从更凑近指标节点的地位开始查问，理论执行的工夫会更短。

查问指定地位节点

// 寻找指定地位的节点，工夫复杂度：O(n)
Node<E> node(int index) {if (index < (size >> 1)) {
        // 如果索引地位小于 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 {
        // 如果索引地位大于 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 的删除办法其实就是增加办法的逆运算，咱们就不反复剖析了。

// 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，实质上也是采纳 iterator 的形式。因为 LinkedList 自身就是双向的，所以 LinkedList 只提供了 1 个迭代器：

• ListIterator<E> listIterator()： 双向迭代器

与其余容器类一样，LinkedList 的迭代器中都有 fail-fast 机制。如果在迭代的过程中发现 expectedModCount 变动，阐明数据被批改，此时就会提前抛出 ConcurrentModificationException 异样（当然也不肯定是被其余线程批改）。

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

// 非动态外部类
private class ListItr implements ListIterator<E> {
    private Node<E> lastReturned;
    private Node<E> next;
    private int nextIndex;
    // 创立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

• 🙋🏻‍♀️ 疑难 2：为什么字段都申明 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无效数据，这样序列化产物的大小就有所升高。在反序列时，只须要依照对象程序顺次增加到链表的开端，就能复原链表的程序。

// 序列化和反序列化只思考无效数据

// 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);

    // 写入节点上的无效数据
    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();
        
    // 读取无效元素并用 linkLast 增加到链表尾部
    for (int i = 0; i < size; i++)
        linkLast((E)s.readObject());
}

2.6 LinkedList 的 clone() 过程

LinkedList 中的 first 和 last 指针是援用类型，因而在 clone() 中须要实现深拷贝。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;

    // 将原链表中的数据顺次增加到新立案表中
    for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next)
        clone.add(x.item);

    return clone;
}

2.7 LinkedList 如何实现线程平安？

有 5 种形式：

• 办法 1 – 应用 Collections.synchronizedList 包装类： 原理也是在所有办法上减少 synchronized 关键字；
• 办法 2 – 应用 ConcurrentLinkedQueue 容器类： 基于 CAS 无锁实现的线程平安队列；
• 办法 3 – 应用 LinkedBlockingQueue 容器： 基于加锁的阻塞队列，适宜于带阻塞操作的生产者消费者模型；
• 办法 4 – 应用 LinkedBlockingDeque 容器： 基于加锁的阻塞双端队列，适宜于带阻塞操作的生产者消费者模型；
• 办法 5 – 应用 ConcurrentLinkedDeque 容器类： 基于 CAS 无锁实现的线程平安双端队列。

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、在查问指定地位的节点时，如果索引地位小于 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，只解决链表节点中无效的元素；

• 4、LinkedList 和 ArrayList 都不思考线程同步，不保障线程平安。

在上一篇文章里，咱们提到了 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，这个咱们在下篇文章探讨，请关注。

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