【JDK】：ArrayList和LinkedList源码解析

ArrayList

ArrayList也叫数组列表，底层使用的数组实现的，严格来说是动态数组。

ArrayList工作原理

ArrayList工作原理其实很简单，底层是动态数组，每次创建一个ArrayList实例时会分配一个初始容量（如果指定了初始容量的话），以add方法为例，如果没有指定初始容量，当执行add方法，先判断当前数组是否为空，如果为空则给保存对象的数组分配一个最小容量，默认为10。当添加大容量元素额时候，会先增加数组的大小，以提高添加的效率。

源码分析

由于ArrayList方法较多，对源码的分析选取了我们平时最常用的add、get和remove方法来分析。

add()

add方法重载了多个实现，包括add(E e)和add(int index,E e)，由于没有指定插入的位置，每次插入操作会把元素放到数组的末尾，而这个过程只需要保证容量够用就行.

add(E e)

public boolean add(E e) {
//保证数组的容量始终够用
ensureCapacityInternal(size + 1);
//size是elementData数组中元组的个数，初始为0
elementData[size++] = e;
return true;
}

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
//如果数组没有元素，给数组一个默认大小，会选择实例化时的值与默认大小中较大值
if (elementData == EMPTY_ELEMENTDATA) {
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
//保证容量够用
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
//modCount是数组发生size更改的次数
modCount++;
// 如果数组长度小于默认的容量10，则调用扩大数组大小的方法
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}

private void grow(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length;
// 在原来容量的基础上扩容2倍
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
// 新的容量大于数组最大值，则调用hugeCapacity()
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);
}

private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
// 超过int最大数，发生大数溢出
if (minCapacity < 0) // overflow
throw new OutOfMemoryError();
// 容量为int的最大值
return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
Integer.MAX_VALUE :
MAX_ARRAY_SIZE;
}

add(int index,E e)

public void add(int index, E element) {
//判断index的值是否合法，如果大于size或者小于0则将抛出异常
rangeCheckForAdd(index);
//保证容量够用，并修改modCount的值
ensureCapacityInternal(size + 1);
//从第index位置开始，将元素往后移动一个位置
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index);
//把要插入的元素e放在第index位置
elementData[index] = element;
//数组元素的个数增加1
size++;
}

get()

get方法最简单，首先判断该位置是否合法，如果合法则直接返回该位置的元素。

public E get(int index) {
rangeCheck(index);
return elementData(index);
}

remove()

由于删除操作会改变size，所以每次删除都需要把元素向前移动一个位置，然后把原来最后一个位置的元素设置为null，一次删除操作完成。

public E remove(int index) {
//判断index是否合法
rangeCheck(index);
//remove操作会改变size，所以modCount加1
modCount++;
//保存待删除位置的元素
E oldValue = elementData(index);
//要移动的元素个数
int numMoved = size - index - 1;
//如果index不是最后一个元素，则从第index+1到最后一个位置，依次向前移动一个位置
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,numMoved);
//元素的size减少1，并把原来末尾位置元素的值设置为null
elementData[--size] = null;
//返回index位置的值
return oldValue;
}

注意到源码调用了System.arraycopy方法，该方法是native的，即该代码是其他语言编写，但Java允许与其进行交互（详情请搜索JNI），那么该方法是如何让实现的呢？

//add方法的System.arraycopy()
//把从第i位置的元素开始到最后一个元素，都往后移动一个位置
for(int j = size - 1; j > i; j--){
elements[j] = elements[j-1];
}
//把第i位置的值改为e
elements[i] = e;

//remove方法的System.arraycopy()方法
//把从第i位置到最后一个位置，都向前移动一个位置
for (int j = i; j < size - 1; j++) {
elements[j] = elements[j + 1];
}
//把数组的元素个数减少1
elements[--size] = null;

ArrayList小结

get方法的时间复杂度为O(1)，add和remove操作的时间复杂度为O(n)

在ArrayList中查找元素很方便，但插入以及删除元素效率就很低，移动元素对性能的开销很大

ArrayList是非同步的

ArrayList一般应用于查询较多但插入以及删除较少情况，如果插入以及从删除较多则建议使用LinkedList

LinkedList

LinkedList原理

LinkedList底层使用的双向链表，即每个节点既包含指向其后继的引用也包括指向其前驱的引用，LinkedList实现了List接口，继承了AbstractSequentialList类，在频繁进行插入以及删除的情况下效率较高。此外LinkedList还实现了Deque（继承自Queue接口）接口，可以当做队列使用。

源码分析

add()

默认添加到list的末尾，插入一个节点非常快，直接找到该位置的节点，修改节点的前驱以及后继的引用即可

public boolean add(E e) {
//把e放在链表的最后一个位置
linkLast(e);
return true;
}

// 在list末尾添加，修改相应引用
void linkLast(E e) {
//last是链表最后一个节点的引用，现在l也指向最后一个节点
final Node<E> l = last;
//调用Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next)构造方法
final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
//last节点指向newNode
last = newNode;
//如果l为空，则链表为空，直接把newNode链接在首节点后面即可，否则把newNode链接//在l节点的后面
if (l == null)
first = newNode;
else
l.next = newNode;
//链表的元素个数增加1
size++;
//modCount是链表发生结构性修改的次数（结构性修改是指发生添加或者删除操作）
modCount++;
}

get()

获取index节点的值要从头或尾遍历链表，当数据量很大的时候，效率无疑是低下的。

public E get(int index) {
//检查index是否合法
checkElementIndex(index);
//如果合法就返回该节点位置的值
return node(index).item;
}

//获取index位置上的节点
Node<E> node(int index) {
//断言index在链表中
// assert isElementIndex(index);
//从第一个节点开始寻找直到index位置，然后返回index//位置的节点
if (index < (size >> 1)) {
Node<E> x = first;
for (int i = 0; i < index; i++)
x = x.next;
return x;
} else {//从最后一个节点开始往前寻找节点
Node<E> x = last;
for (int i = size - 1; i > index; i--)
x = x.prev;
return x;
}
}

//检查index值的合法性
private void checkElementIndex(int index) {
if (!isElementIndex(index))
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}

//判断index是否存在于链表中
private boolean isElementIndex(int index) {
return index >= 0 && index < size;
}

remove()

public E remove(int index) {
checkElementIndex(index);
return unlink(node(index));
}

E unlink(Node<E> x) {
// assert x != null;
//保存x节点的值
final E element = x.item;
//保存x节点的后继
final Node<E> next = x.next;
//保存x节点的前驱
final Node<E> prev = x.prev;
//如果前驱为null，说明要移除的是第一个节点，把First指向下一个节点就行
if (prev == null) {
first = next;
} else {//否则，把x节点前驱的后继指向x的后继，并把x的前驱设置为null
prev.next = next;
x.prev = null;
}
//如果后继为null则要移除的是最后一个节点，则把last的引用指向x节点的前驱就ok
if (next == null) {
last = prev;
} else {//否则，把x节点的后继的前驱设置为x节点的前驱，并x节点的后继设为null
next.prev = prev;
x.next = null;
}
//把x节点的值设为null，这样x就没有任何引用了，gc处理
x.item = null;
//把链表的size减少1
size--;
//结构性修改的次数增加1
modCount++;
//返回x节点的值，在移除之前已经保存在element中了
return element;
}

LinkedList小结

get方法的时间复杂度为O(n),add和remove的时间复杂度为O(1)，因为只需要修改节点的前驱以及后继就可以

LinkedList是非同步的，如果要考虑并发，则需要使用外部同步

LinkedList一般应用于增删较多而查找较少的情况，从时间复杂度上便可以看出来

ArrayList与LinekdList的区别

ArrayList底层使用的数据结构是数组而LinekdList底层使用的是双向链表

ArrayList查询效率较高而LinkedList增删效率较高

ArrayList应用于查找操作较多的场景中而LinkedList应用于增删较多的场景中

对于随机访问get和set还是ArrayList更好

ArrayList对空间的开销主要体现在总要给尾部预留一定的空间，而LinkedList的开销主要体现在要为每个元素占用较多空间