Java 集合系列08之 List總結(LinkedList, ArrayList等使用場景和性能分
先回顧一下List的框架圖
(01) List 是一個接口，它繼承於Collection的接口。它代表著有序的隊列。
(02) 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。
(03) 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”。
(04) 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，根據下面的標準來取舍。
(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：
View Code
運行結果如下：
Stack : insert 100000 elements into the 1st position use time：1640 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
下面我們看看為什麽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：
// 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：
// 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，我們就能理解為什麽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，這裏就不再過多說明。
接下來，我們看看 “為什麽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
// 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
// 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4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：
// 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：
// 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叠代器” 和 “listIterator()返回ListIterator叠代器”。
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：
// 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)”；那麽，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：
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：
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：
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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Java 集合系列08之 List總結(LinkedList, ArrayList等使用場景和性能分