Java性能优化(一)：Java基础-ArrayList和LinkedList

引言

集合作为一种存储数据的容器，是我们日常开发中使用最频繁的对象类型之一。JDK为开发者提供了一系列的集合类型，这些集合类型使用不同的数据结构来实现。因此，不同的集合类型，使用场景也不同。

很多同学在面试的时候，经常会被问到集合的相关问题，比较常见的有ArrayList和LinkedList的区别。

相信大部分同学都能回答上："ArrayList是基于数组实现，LinkedList是基于链表实现。"

而在回答使用场景的时候，我发现大部分同学的答案是："ArrayList和LinkedList在新增、删除元素时，LinkedList的效率要高于 ArrayList，而在遍历的时候，ArrayList的效率要高于LinkedList。"这个回答是否准确呢？今天这一讲就带你验证。

初识List接口

在学习List集合类之前，我们先来通过这张图，看下List集合类的接口和类的实现关系：

我们可以看到ArrayList、Vector、LinkedList集合类继承了AbstractList抽象类，而AbstractList实现了List接口，同时也继承了AbstractCollection抽象类。ArrayList、Vector、LinkedList又根据自我定位，分别实现了各自的功能。

ArrayList和Vector使用了数组实现，这两者的实现原理差不多，LinkedList使用了双向链表实现。基础铺垫就到这里，接下来，我们就详细地分析下ArrayList和LinkedList的源码实现。

ArrayList是如何实现的？

ArrayList很常用，先来几道测试题，自检下你对ArrayList的了解程度。

问题1：我们在查看ArrayList的实现类源码时，你会发现对象数组elementData使用了transient修饰，我们知道transient关键字修饰该属性，则表示该属性不会被序列化，然而我们并没有看到文档中说明ArrayList不能被序列化，这是为什么？

问题2：我们在使用ArrayList进行新增、删除时，经常被提醒"使用ArrayList做新增删除操作会影响效率"。那是不是ArrayList在大量新增元素的场景下效率就一定会变慢呢？

问题3：如果让你使用for循环以及迭代循环遍历一个ArrayList，你会使用哪种方式呢？原因是什么？

如果你对这几道测试都没有一个全面的了解，那就跟我一起从数据结构、实现原理以及源码角度重新认识下ArrayList吧。

1.ArrayList实现类

ArrayList实现了List接口，继承了AbstractList抽象类，底层是数组实现的，并且实现了自增扩容数组大小。

ArrayList还实现了Cloneable接口和Serializable接口，所以他可以实现克隆和序列化。

ArrayList还实现了RandomAccess接口。你可能对这个接口比较陌生，不知道具体的用处。通过代码我们可以发现，这个接口其实是一个空接口，什么也没有实现，那ArrayList为什么要去实现它呢？

其实RandomAccess接口是一个标志接口，他标志着"只要实现该接口的List类，都能实现快速随机访问"。

java 复制代码

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable

2.ArrayList属性

ArrayList属性主要由数组长度size、对象数组elementData、初始化容量default_capacity等组成，其中初始化容量默认大小为10。

java 复制代码

  //默认初始化容量
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
    //对象数组
    transient Object[] elementData; 
    //数组长度
    private int size;

从ArrayList属性来看，它没有被任何的多线程关键字修饰，但elementData被关键字transient修饰了。这就是我在上面提到的第一道测试题：transient关键字修饰该字段则表示该属性不会被序列化，但ArrayList其实是实现了序列化接口，这到底是怎么回事呢？

这还得从"ArrayList是基于数组实现"开始说起，由于ArrayList的数组是基于动态扩增的，所以并不是所有被分配的内存空间都存储了数据。

如果采用外部序列化法实现数组的序列化，会序列化整个数组。ArrayList为了避免这些没有存储数据的内存空间被序列化，内部提供了两个私有方法writeObject以及readObject来自我完成序列化与反序列化，从而在序列化与反序列化数组时节省了空间和时间。

因此使用transient修饰数组，是防止对象数组被其他外部方法序列化。

3.ArrayList构造函数

ArrayList类实现了三个构造函数，第一个是创建ArrayList对象时，传入一个初始化值；第二个是默认创建一个空数组对象；第三个是传入一个集合类型进行初始化。

当ArrayList新增元素时，如果所存储的元素已经超过其已有大小，它会计算元素大小后再进行动态扩容，数组的扩容会导致整个数组进行一次内存复制。因此，我们在初始化ArrayList时，可以通过第一个构造函数合理指定数组初始大小，这样有助于减少数组的扩容次数，从而提高系统性能。

java 复制代码

 public ArrayList(int initialCapacity) {
        //初始化容量不为零时，将根据初始化值创建数组大小
        if (initialCapacity > 0) {
            this.elementData = new Object[initialCapacity];
        } else if (initialCapacity == 0) {//初始化容量为零时，使用默认的空数组
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        } else {
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                               initialCapacity);
        }
    }

    public ArrayList() {
        //初始化默认为空数组
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }

4.ArrayList新增元素

ArrayList新增元素的方法有两种，一种是直接将元素加到数组的末尾，另外一种是添加元素到任意位置。

java 复制代码

 public boolean add(E e) {
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }

    public void add(int index, E element) {
        rangeCheckForAdd(index);

        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                         size - index);
        elementData[index] = element;
        size++;
    }

两个方法的相同之处是在添加元素之前，都会先确认容量大小，如果容量够大，就不用进行扩容；如果容量不够大，就会按照原来数组的1.5倍大小进行扩容，在扩容之后需要将数组复制到新分配的内存地址。

java 复制代码

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

        // overflow-conscious code
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
    }
    private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

    private void grow(int minCapacity) {
        // overflow-conscious code
        int oldCapacity = elementData.length;
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            newCapacity = minCapacity;
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
        // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }

当然，两个方法也有不同之处，添加元素到任意位置，会导致在该位置后的所有元素都需要重新排列，而将元素添加到数组的末尾，在没有发生扩容的前提下，是不会有元素复制排序过程的。

这里你就可以找到第二道测试题的答案了。如果我们在初始化时就比较清楚存储数据的大小，就可以在ArrayList初始化时指定数组容量大小，并且在添加元素时，只在数组末尾添加元素，那么ArrayList在大量新增元素的场景下，性能并不会变差，反而比其他List集合的性能要好。

5.ArrayList删除元素

ArrayList的删除方法和添加任意位置元素的方法是有些相同的。ArrayList在每一次有效的删除元素操作之后，都要进行数组的重组，并且删除的元素位置越靠前，数组重组的开销就越大。

java 复制代码

 public E remove(int index) {
        rangeCheck(index);

        modCount++;
        E oldValue = elementData(index);

        int numMoved = size - index - 1;
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                             numMoved);
        elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work

        return oldValue;
    }

6.ArrayList遍历元素

由于ArrayList是基于数组实现的，所以在获取元素的时候是非常快捷的。

java 复制代码

  public E get(int index) {
        rangeCheck(index);

        return elementData(index);
    }

    E elementData(int index) {
        return (E) elementData[index];
    }

LinkedList是如何实现的？

虽然LinkedList与ArrayList都是List类型的集合，但LinkedList的实现原理却和ArrayList大相径庭，使用场景也不太一样。

LinkedList是基于双向链表数据结构实现的，LinkedList定义了一个Node结构，Node结构中包含了3个部分：元素内容item、前指针prev以及后指针next，代码如下。

java 复制代码

 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;
        }
    }

总结一下，LinkedList就是由Node结构对象连接而成的一个双向链表。在JDK1.7之前，LinkedList中只包含了一个Entry结构的header属性，并在初始化的时候默认创建一个空的Entry，用来做header，前后指针指向自己，形成一个循环双向链表。

在JDK1.7之后，LinkedList做了很大的改动，对链表进行了优化。链表的Entry结构换成了Node，内部组成基本没有改变，但LinkedList里面的header属性去掉了，新增了一个Node结构的first属性和一个Node结构的last属性。这样做有以下几点好处：

first/last属性能更清晰地表达链表的链头和链尾概念；
first/last方式可以在初始化LinkedList的时候节省new一个Entry；
first/last方式最重要的性能优化是链头和链尾的插入删除操作更加快捷了。

这里同ArrayList的讲解一样，我将从数据结构、实现原理以及源码分析等几个角度带你深入了解LinkedList。

1.LinkedList实现类

LinkedList类实现了List接口、Deque接口，同时继承了AbstractSequentialList抽象类，LinkedList既实现了List类型又有Queue类型的特点；LinkedList也实现了Cloneable和Serializable接口，同ArrayList一样，可以实现克隆和序列化。

由于LinkedList存储数据的内存地址是不连续的，而是通过指针来定位不连续地址，因此，LinkedList不支持随机快速访问，LinkedList也就不能实现RandomAccess接口。

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

2.LinkedList属性

我们前面讲到了LinkedList的两个重要属性first/last属性，其实还有一个size属性。我们可以看到这三个属性都被transient修饰了，原因很简单，我们在序列化的时候不会只对头尾进行序列化，所以LinkedList也是自行实现readObject和writeObject进行序列化与反序列化。

  transient int size = 0;
    transient Node<E> first;
    transient Node<E> last;

3.LinkedList新增元素

LinkedList添加元素的实现很简洁，但添加的方式却有很多种。默认的add (Ee)方法是将添加的元素加到队尾，首先是将last元素置换到临时变量中，生成一个新的Node节点对象，然后将last引用指向新节点对象，之前的last对象的前指针指向新节点对象。

 public boolean add(E e) {
        linkLast(e);
        return true;
    }

    void linkLast(E e) {
        final Node<E> l = last;
        final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
        last = newNode;
        if (l == null)
            first = newNode;
        else
            l.next = newNode;
        size++;
        modCount++;
    }

LinkedList也有添加元素到任意位置的方法，如果我们是将元素添加到任意两个元素的中间位置，添加元素操作只会改变前后元素的前后指针，指针将会指向添加的新元素，所以相比ArrayList的添加操作来说，LinkedList的性能优势明显。

 public void add(int index, E element) {
        checkPositionIndex(index);

        if (index == size)
            linkLast(element);
        else
            linkBefore(element, node(index));
    }

    void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
        // assert succ != null;
        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++;
    }

4.LinkedList删除元素

在LinkedList删除元素的操作中，我们首先要通过循环找到要删除的元素，如果要删除的位置处于List的前半段，就从前往后找；若其位置处于后半段，就从后往前找。

这样做的话，无论要删除较为靠前或较为靠后的元素都是非常高效的，但如果List拥有大量元素，移除的元素又在List的中间段，那效率相对来说会很低。

5.LinkedList遍历元素

LinkedList的获取元素操作实现跟LinkedList的删除元素操作基本类似，通过分前后半段来循环查找到对应的元素。但是通过这种方式来查询元素是非常低效的，特别是在for循环遍历的情况下，每一次循环都会去遍历半个List。

所以在LinkedList循环遍历时，我们可以使用iterator方式迭代循环，直接拿到我们的元素，而不需要通过循环查找List。

总结

前面我们已经从源码的实现角度深入了解了ArrayList和LinkedList的实现原理以及各自的特点。如果你能充分理解这些内容，很多实际应用中的相关性能问题也就迎刃而解了。

就像如果现在还有人跟你说，"ArrayList和LinkedList在新增、删除元素时，LinkedList的效率要高于ArrayList，而在遍历的时候，ArrayList的效率要高于LinkedList"，你还会表示赞同吗？

现在我们不妨通过几组测试来验证一下。这里因为篇幅限制，所以我就直接给出测试结果了，对应的测试代码你可以访问Github查看和下载。

1.ArrayList和LinkedList新增元素操作测试

从集合头部位置新增元素
从集合中间位置新增元素
从集合尾部位置新增元素

测试结果(花费时间)：

ArrayList>LinkedList
ArrayList<LinkedList
ArrayList<LinkedList

通过这组测试，我们可以知道LinkedList添加元素的效率未必要高于ArrayList。

由于ArrayList是数组实现的，而数组是一块连续的内存空间，在添加元素到数组头部的时候，需要对头部以后的数据进行复制重排，所以效率很低；而LinkedList是基于链表实现，在添加元素的时候，首先会通过循环查找到添加元素的位置，如果要添加的位置处于List的前半段，就从前往后找；若其位置处于后半段，就从后往前找。因此LinkedList添加元素到头部是非常高效的。

同上可知，ArrayList在添加元素到数组中间时，同样有部分数据需要复制重排，效率也不是很高；LinkedList将元素添加到中间位置，是添加元素最低效率的，因为靠近中间位置，在添加元素之前的循环查找是遍历元素最多的操作。

而在添加元素到尾部的操作中，我们发现，在没有扩容的情况下，ArrayList的效率要高于LinkedList。这是因为ArrayList在添加元素到尾部的时候，不需要复制重排数据，效率非常高。而LinkedList虽然也不用循环查找元素，但LinkedList中多了new对象以及变换指针指向对象的过程，所以效率要低于ArrayList。

说明一下，这里我是基于ArrayList初始化容量足够，排除动态扩容数组容量的情况下进行的测试，如果有动态扩容的情况，ArrayList的效率也会降低。

2.ArrayList和LinkedList删除元素操作测试

从集合头部位置删除元素
从集合中间位置删除元素
从集合尾部位置删除元素

测试结果(花费时间)：

ArrayList>LinkedList
ArrayList<LinkedList
ArrayList<LinkedList

ArrayList和LinkedList删除元素操作测试的结果和添加元素操作测试的结果很接近，这是一样的原理，我在这里就不重复讲解了。

3.ArrayList和LinkedList遍历元素操作测试

for(;;)循环
迭代器迭代循环

测试结果(花费时间)：

ArrayList<LinkedList
ArrayList≈LinkedList

我们可以看到，LinkedList的for循环性能是最差的，而ArrayList的for循环性能是最好的。

这是因为LinkedList基于链表实现的，在使用for循环的时候，每一次for循环都会去遍历半个List，所以严重影响了遍历的效率；ArrayList则是基于数组实现的，并且实现了RandomAccess接口标志，意味着ArrayList可以实现快速随机访问，所以for循环效率非常高。

LinkedList的迭代循环遍历和ArrayList的迭代循环遍历性能相当，也不会太差，所以在遍历LinkedList时，我们要切忌使用for循环遍历。

思考题

我们通过一个使用for循环遍历删除操作ArrayList数组的例子，思考下ArrayList数组的删除操作应该注意的一些问题。

java 复制代码

public static void main(String[] args)
    {
        ArrayList<String> list = new ArrayList<String>();
        list.add("a");
        list.add("a");
        list.add("b");
        list.add("b");
        list.add("c");
        list.add("c");
        remove(list);//删除指定的"b"元素

        for(int i=0; i<list.size(); i++)("c")()()(s : list) 
        {
            System.out.println("element : " + s)list.get(i)
        }
    }

从上面的代码来看，我定义了一个ArrayList数组，里面添加了一些元素，然后我通过remove删除指定的元素。请问以下两种写法，哪种是正确的？

写法1：

java 复制代码

public static void remove(ArrayList<String> list) 
    {
        Iterator<String> it = list.iterator();
        
        while (it.hasNext()) {
            String str = it.next();
            
            if (str.equals("b")) {
                it.remove();
            }
        }

    }

写法2：

java 复制代码

public static void remove(ArrayList<String> list) 
    {
        for (String s : list)
        {
            if (s.equals("b")) 
            {
                list.remove(s);
            }
        }
    }