Java中ArrayList和LinkedList區別以及時間複雜度與空間複雜度

阿新 • • 發佈：2019-01-07

Java中ArrayList和LinkedList區別以及時間複雜度與空間複雜度？

一．時間複雜度
二．空間複雜度
三．總結

　　一般大家都知道ArrayList和LinkedList的大致區別：
1.ArrayList是實現了基於動態陣列的資料結構，LinkedList基於連結串列的資料結構。
2.對於 隨機訪問get和set，ArrayList覺得優於LinkedList，因為LinkedList要 移動指標。
3.對於 新增和刪除操作add和remove，LinedList比較佔優勢，因為ArrayList要 移動資料

。
　　 ArrayList和LinkedList是兩個集合類， 用於儲存一系列的物件引用(references)。例如我們可以用ArrayList來儲存一系列的String或者Integer。那麼ArrayList和LinkedList在效能上有什麼差別呢？什麼時候應該用ArrayList什麼時候又該用LinkedList呢？

一．時間複雜度

首先一點關鍵的是，ArrayList的內部實現是基於基礎的物件陣列的，因此，它使用get方法訪問列表中的任意一個元素時(random access)，它的速度要比LinkedList快。LinkedList中的get方法是按照順序從列表的一端開始檢查，直到另外一端。對LinkedList而言，訪問列表中的某個指定元素沒有更快的方法了。
　　假設我們有一個很大的列表，它裡面的元素已經排好序了，這個列表可能是ArrayList型別的也可能是LinkedList型別的，現在我們對這個列表來進行二分查詢(binary search)，比較列表是ArrayList和LinkedList時的查詢速度，看下面的程式：

package com.mangocity.test;  
 import java.util.LinkedList;  
 import java.util.List;  
 import java.util.Random;   
 import java.util.ArrayList;   
 import java.util.Arrays;   
 import java.util.Collections;   
 public class TestList{       
  public static final int N=50000;           
  public static List values;           
  static{
              Integer vals[]=new Integer[N];
              Random r=new Random();
              for(int i=0,currval=0;i < N;i++){
              	vals=new Integer(currval);
              	currval+=r.nextInt(100)+1;
              }               
              values=Arrays.asList(vals);        
  	}           
 static long timeList(List lst){            
 	long start=System.currentTimeMillis();           
 	for(int i=0;i<N;i++){
		int index=Collections.binarySearch(lst, values.get(i));                
		if(index!=i)   System.out.println("***錯誤***");            
	}           
	return System.currentTimeMillis()-start;        
	}        
public static void main(String args[]){            
	System.out.println("ArrayList消耗時間："+timeList(new ArrayList(values)));            
	System.out.println("LinkedList消耗時間："+timeList(new LinkedList(values)));       
	}  
}

我得到的輸出是：

ArrayList消耗時間：15 
LinkedList消耗時間：2596

這個結果不是固定的，但是基本上ArrayList的時間要明顯小於LinkedList的時間。因此在這種情況下不宜用LinkedList。二分查詢法使用的隨機訪問(random access)策略，而LinkedList是不支援快速的隨機訪問的。對一個LinkedList做隨機訪問所消耗的時間與這個list的大小是成比例的。而相應的，在ArrayList中進行隨機訪問所消耗的時間是固定的。
　　這是否表明ArrayList總是比LinkedList效能要好呢？這並不一定，在某些情況下LinkedList的表現要優於ArrayList，有些演算法在LinkedList中實現時效率更高。比方說，利用Collections.reverse方法對列表進行反轉時，其效能就要好些。
　　看這樣一個例子，加入我們有一個列表，要對其進行大量的插入和刪除操作，在這種情況下LinkedList就是一個較好的選擇。請看如下一個極端的例子，我們重複的在一個列表的開端插入一個元素：

package com.mangocity.test;   
import java.util.*;   
public class ListDemo
{   
     static final int N=50000;   
     static long timeList(List list){   
     long start=System.currentTimeMillis();   
     Object o = new Object();   
     for(int i=0;i < N; i++)
         list.add(0,o);   
     return System.currentTimeMillis()-start;   
     }   
     public static void main(String[] args)
{   
         System.out.println("ArrayList耗時："+timeList(new ArrayList()));   
         System.out.println("LinkedList耗時："+timeList(new LinkedList()));   
     }   
}

這時我的輸出結果是：

ArrayList耗時：2463    
LinkedList耗時：15

這和前面一個例子的結果截然相反，當一個元素被加到ArrayList的最開端時，所有已經存在的元素都會後移，這就意味著資料移動和複製上的開銷。相反的，將一個元素加到LinkedList的最開端只是簡單的未這個元素分配一個記錄，然後調整兩個連線。在LinkedList的開端增加一個元素的開銷是固定的，而在ArrayList的開端增加一個元素的開銷是與ArrayList的大小成比例的。

二．空間複雜度

在LinkedList中有一個私有的內部類，定義如下：

private static class Entry
{   
         Object element;   
         Entry next;   
         Entry previous;   
     }

每個Entry物件reference列表中的一個元素，同時還有在LinkedList中它的上一個元素和下一個元素。一個有1000個元素的LinkedList物件將有1000個連結在一起的Entry物件，每個物件都對應於列表中的一個元素。這樣的話，在一個LinkedList結構中將有一個很大的空間開銷，因為它要儲存這1000個Entity物件的相關資訊。
　　ArrayList使用一個內建的陣列來儲存元素，這個陣列的起始容量是10.當陣列需要增長時，新的容量按如下公式獲得：新容量=(舊容量*3)/2+1，也就是說每一次容量大概會增長50%。這就意味著，如果你有一個包含大量元素的ArrayList物件，那麼最終將有很大的空間會被浪費掉，這個浪費是由ArrayList的工作方式本身造成的。如果沒有足夠的空間來存放新的元素，陣列將不得不被重新進行分配以便能夠增加新的元素。對陣列進行重新分配，將會導致效能急劇下降。如果我們知道一個ArrayList將會有多少個元素，我們可以通過構造方法來指定容量。我們還可以通過trimToSize方法在ArrayList分配完畢之後去掉浪費掉的空間。

三．總結

ArrayList和LinkedList在效能上各有優缺點，都有各自所適用的地方，總的說來可以描述如下：
1．對ArrayList和LinkedList而言，在列表末尾增加一個元素所花的開銷都是固定的。對ArrayList而言，主要是在內部陣列中增加一項，指向所新增的元素，偶爾可能會導致對陣列重新進行分配；而對LinkedList而言，這個開銷是統一的，分配一個內部Entry物件。
2．在ArrayList的中間插入或刪除一個元素意味著這個列表中剩餘的元素都會被移動；而在LinkedList的中間插入或刪除一個元素的開銷是固定的。
3．LinkedList不支援高效的隨機元素訪問。
4．ArrayList的空間浪費主要體現在在list列表的結尾預留一定的容量空間，而LinkedList的空間花費則體現在它的每一個元素都需要消耗相當的空間

ArrayList 是線性表（陣列）
get() 直接讀取第幾個下標，複雜度 O(1)
add(E) 新增元素，直接在後面新增，複雜度O（1）
add(index, E) 新增元素，在第幾個元素後面插入，後面的元素需要向後移動，複雜度O（n）
remove（）刪除元素，後面的元素需要逐個移動，複雜度O（n）
LinkedList 是連結串列的操作
get() 獲取第幾個元素，依次遍歷，複雜度O(n)
add(E) 新增到末尾，複雜度O(1)
add(index, E) 新增第幾個元素後，需要先查詢到第幾個元素，直接指標指向操作，複雜度O(n)
remove（）刪除元素，直接指標指向操作，複雜度O(1)
　　可以這樣說：當操作是在一列資料的後面新增資料而不是在前面或中間,並且需要隨機地訪問其中的元素時,使用ArrayList會提供比較好的效能；當你的操作是在一列資料的前面或中間新增或刪除資料,並且按照順序訪問其中的元素時,就應該使用LinkedList了。

Java中ArrayList和LinkedList區別以及時間複雜度與空間複雜度