https://github.com/itwanger/toBeBetterJavaer
如果再有人给你说 “ArrayList 底层是数组,查询快、增删慢;LinkedList 底层是链表,查询慢、增删快”,你可以让他滚了!
这是一个极其不负责任的总结,关键是你会在很多地方看到这样的结论。
害,我一开始学 Java 的时候,也问过一个大佬,“ArrayList 和 LinkedList 有什么区别?”他就把“ArrayList 底层是数组,查询快、增删慢;LinkedList 底层是链表,查询慢、增删快”甩给我了,当时觉得,大佬好牛逼啊!
后来我研究了 ArrayList 和 LinkedList 的源码,发现还真的是,前者是数组,后者是 LinkedList,于是我对大佬更加佩服了!
直到后来,我亲自跑程序验证了一遍,才发现大佬的结论太草率了!根本就不是这么回事!
先来给大家普及一个概念——时间复杂度。
在计算机科学中,算法的时间复杂度(Time complexity)是一个函数,它定性描述该算法的运行时间。这是一个代表算法输入值的字符串的长度的函数。时间复杂度常用大 O 符号表述,不包括这个函数的低阶项和首项系数。使用这种方式时,时间复杂度可被称为是渐近的,亦即考察输入值大小趋近无穷时的情况。例如,如果一个算法对于任何大小为 n (必须比 大)的输入,它至多需要 的时间运行完毕,那么它的渐近时间复杂度是 。
增删改查,对应到 ArrayList 和 LinkedList,就是 add(E e)、remove(int index)、add(int index, E element)、get(int index),我来给大家一一分析下,它们对应的时间复杂度,也就明白了“ArrayList 底层是数组,查询快、增删慢;LinkedList 底层是链表,查询慢、增删快”这个结论很荒唐的原因
对于 ArrayList 来说:
1)get(int index) 方法的时间复杂度为 ,因为是直接从底层数组根据下标获取的,和数组长度无关。
- public E get(int index) {
- Objects.checkIndex(index, size);
- return elementData(index);
- }
这也是 ArrayList 的最大优点。
2)add(E e) 方法会默认将元素添加到数组末尾,但需要考虑到数组扩容的情况,如果不需要扩容,时间复杂度为 。
- public boolean add(E e) {
- modCount++;
- add(e, elementData, size);
- return true;
- }
- private void add(E e, Object[] elementData, int s) {
- if (s == elementData.length)
- elementData = grow();
- elementData[s] = e;
- size = s + 1;
- }
如果需要扩容的话,并且不是第一次(oldCapacity > 0)扩容的时候,内部执行的 Arrays.copyOf() 方法是耗时的关键,需要把原有数组中的元素复制到扩容后的新数组当中。
- private Object[] grow(int minCapacity) {
- int oldCapacity = elementData.length;
- if (oldCapacity > 0 || elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
- int newCapacity = ArraysSupport.newLength(oldCapacity,
- minCapacity - oldCapacity, /* minimum growth */
- oldCapacity >> 1 /* preferred growth */);
- return elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
- } else {
- return elementData = new Object[Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity)];
- }
- }
3)add(int index, E element) 方法将新的元素插入到指定的位置,考虑到需要复制底层数组(根据之前的判断,扩容的话,数组可能要复制一次),根据最坏的打算(不管需要不需要扩容,System.arraycopy() 肯定要执行),所以时间复杂度为 。
- public void add(int index, E element) {
- rangeCheckForAdd(index);
- modCount++;
- final int s;
- Object[] elementData;
- if ((s = size) == (elementData = this.elementData).length)
- elementData = grow();
- System.arraycopy(elementData, index,
- elementData, index + 1,
- s - index);
- elementData[index] = element;
- size = s + 1;
- }
来执行以下代码,把沉默王八插入到下标为 2 的位置上。
- ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
- list.add("沉默王二");
- list.add("沉默王三");
- list.add("沉默王四");
- list.add("沉默王五");
- list.add("沉默王六");
- list.add("沉默王七");
- list.add(2, "沉默王八");
System.arraycopy() 执行完成后,下标为 2 的元素为沉默王四,这一点需要注意。也就是说,在数组中插入元素的时候,会把插入位置以后的元素依次往后复制,所以下标为 2 和下标为 3 的元素都为沉默王四。
之后再通过 elementData[index] = element 将下标为 2 的元素赋值为沉默王八;随后执行 size = s + 1,数组的长度变为 7。
4)remove(int index) 方法将指定位置上的元素删除,考虑到需要复制底层数组,所以时间复杂度为 。
- public E remove(int index) {
- Objects.checkIndex(index, size);
- final Object[] es = elementData;
- @SuppressWarnings("unchecked") E oldValue = (E) es[index];
- fastRemove(es, index);
- return oldValue;
- }
- private void fastRemove(Object[] es, int i) {
- modCount++;
- final int newSize;
- if ((newSize = size - 1) > i)
- System.arraycopy(es, i + 1, es, i, newSize - i);
- es[size = newSize] = null;
- }
对于 LinkedList 来说:
1)get(int index) 方法的时间复杂度为 ,因为需要循环遍历整个链表。
- public E get(int index) {
- checkElementIndex(index);
- return node(index).item;
- }
- LinkedList.Node<E> node(int index) {
- // assert isElementIndex(index);
- if (index < (size >> 1)) {
- LinkedList.Node<E> x = first;
- for (int i = 0; i < index; i++)
- x = x.next;
- return x;
- } else {
- LinkedList.Node<E> x = last;
- for (int i = size - 1; i > index; i--)
- x = x.prev;
- return x;
- }
- }
下标小于链表长度的一半时,从前往后遍历;否则从后往前遍历,这样从理论上说,就节省了一半的时间。
如果下标为 0 或者 list.size() - 1 的话,时间复杂度为 。这种情况下,可以使用 getFirst() 和 getLast() 方法。
- public E getFirst() {
- final LinkedList.Node<E> f = first;
- if (f == null)
- throw new NoSuchElementException();
- return f.item;
- }
- public E getLast() {
- final LinkedList.Node<E> l = last;
- if (l == null)
- throw new NoSuchElementException();
- return l.item;
- }
first 和 last 在链表中是直接存储的,所以时间复杂度为 。
2)add(E e) 方法默认将元素添加到链表末尾,所以时间复杂度为 。
- public boolean add(E e) {
- linkLast(e);
- return true;
- }
- void linkLast(E e) {
- final LinkedList.Node<E> l = last;
- final LinkedList.Node<E> newNode = new LinkedList.Node<>(l, e, null);
- last = newNode;
- if (l == null)
- first = newNode;
- else
- l.next = newNode;
- size++;
- modCount++;
- }
3)add(int index, E element) 方法将新的元素插入到指定的位置,需要先通过遍历查找这个元素,然后再进行插入,所以时间复杂度为。
- public void add(int index, E element) {
- checkPositionIndex(index);
- if (index == size)
- linkLast(element);
- else
- linkBefore(element, node(index));
- }
如果下标为 0 或者 list.size() - 1 的话,时间复杂度为 。这种情况下,可以使用 addFirst() 和 addLast() 方法。
- public void addFirst(E e) {
- linkFirst(e);
- }
- private void linkFirst(E e) {
- final LinkedList.Node<E> f = first;
- final LinkedList.Node<E> newNode = new LinkedList.Node<>(null, e, f);
- first = newNode;
- if (f == null)
- last = newNode;
- else
- f.prev = newNode;
- size++;
- modCount++;
- }
linkLast() 只需要对 last 进行更新即可。
- public void addLast(E e) {
- linkLast(e);
- }
- void linkLast(E e) {
- final LinkedList.Node<E> l = last;
- final LinkedList.Node<E> newNode = new LinkedList.Node<>(l, e, null);
- last = newNode;
- if (l == null)
- first = newNode;
- else
- l.next = newNode;
- size++;
- modCount++;
- }
需要注意的是,有些文章里面说,LinkedList 插入元素的时间复杂度近似 ,其实是有问题的,因为 add(int index, E element) 方法在插入元素的时候会调用 node(index) 查找元素,该方法之前我们之间已经确认过了,时间复杂度为 ,即便随后调用 linkBefore() 方法进行插入的时间复杂度为 ,总体上的时间复杂度仍然为 才对。
- void linkBefore(E e, LinkedList.Node<E> succ) {
- // assert succ != null;
- final LinkedList.Node<E> pred = succ.prev;
- final LinkedList.Node<E> newNode = new LinkedList.Node<>(pred, e, succ);
- succ.prev = newNode;
- if (pred == null)
- first = newNode;
- else
- pred.next = newNode;
- size++;
- modCount++;
- }
4)remove(int index) 方法将指定位置上的元素删除,考虑到需要调用 node(index) 方法查找元素,所以时间复杂度为 。
- public E remove(int index) {
- checkElementIndex(index);
- return unlink(node(index));
- }
- E unlink(LinkedList.Node<E> x) {
- // assert x != null;
- final E element = x.item;
- final LinkedList.Node<E> next = x.next;
- final LinkedList.Node<E> prev = x.prev;
- if (prev == null) {
- first = next;
- } else {
- prev.next = next;
- x.prev = null;
- }
- if (next == null) {
- last = prev;
- } else {
- next.prev = prev;
- x.next = null;
- }
- x.item = null;
- size--;
- modCount++;
- return element;
- }
通过时间复杂度的比较,以及源码的分析,我相信大家在选择的时候就有了主意,对吧?
需要注意的是,如果列表很大很大,ArrayList 和 LinkedList 在内存的使用上也有所不同。LinkedList 的每个元素都有更多开销,因为要存储上一个和下一个元素的地址。ArrayList 没有这样的开销。
查询的时候,ArrayList 比 LinkedList 快,这是毋庸置疑的;插入和删除的时候,LinkedList 因为要遍历列表,所以并不比 ArrayList 更快。反而 ArrayList 更轻量级,不需要在每个元素上维护上一个和下一个元素的地址。
但是,请注意,如果 ArrayList 在增删改的时候涉及到大量的数组复制,效率就另当别论了,因为这个过程相当的耗时。
对于初学者来说,一般不会涉及到百万级别的数据操作,如果真的不知道该用 ArrayList 还是 LinkedList,就无脑选择 ArrayList 吧!
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