從cpu和內存來理解爲什麼數組比鏈表查詢快

ArrayList和LinkList的比較

1.ArrayList和LinkedList可想從名字分析,它們一個是Array(動態數組)的數據結構,一個Link(鏈表)的數據結構,此外,它們兩個都是對List接口的實現。前者是數組隊列,相當於動態數組;後者爲雙向鏈表結構,也可當作堆棧、隊列、雙端隊列

2.ArrayList查詢效率比LinkList高,因爲查詢時候LinkList需要移動指針一個個查找

3.LinkList新增和刪除效率比ArrayList高,LinkList底層爲雙向鏈表結構,會記錄前一個節點和後一個節點,所以新增時候與刪除時候更快。

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一個常見的編程問題: 遍歷同樣大小的數組和鏈表, 哪個比較快? 如果按照大學教科書上的算法分析方法,你會得出結論,這2者一樣快, 因爲時間複雜度都是 O(n)。 但是在實踐中, 這2者卻有極大的差異。 通過下面的分析你會發現, 其實數組比鏈表要快很多。 
首先介紹一個概念:memory hierarchy (存儲層次結構),電腦中存在多種不同的存儲器,如下表

CPU 寄存器 – immediate access (0-1個CPU時鐘週期) 
CPU L1 緩存 – fast access (3個CPU時鐘週期) 
CPU L2 緩存 – slightly slower access (10個CPU時鐘週期) 
內存 (RAM) – slow access (100個CPU時鐘週期) 
硬盤 (file system) – very slow (10,000,000個CPU時鐘週期) 
(數據來自 http://www.answers.com/topic/locality-of-reference

各級別的存儲器速度差異非常大,CPU寄存器速度是內存速度的100倍! 這就是爲什麼CPU產商發明了CPU緩存。 而這個CPU緩存,就是數組和鏈表的區別的關鍵所在。

CPU緩存會把一片連續的內存空間讀入, 因爲數組結構是連續的內存地址,所以數組全部或者部分元素被連續存在CPU緩存裏面, 平均讀取每個元素的時間只要3個CPU時鐘週期。 而鏈表的節點是分散在堆空間裏面的,這時候CPU緩存幫不上忙,只能是去讀取內存,平均讀取時間需要100個CPU時鐘週期。 這樣算下來,數組訪問的速度比鏈表快33倍! (這裏只是介紹概念,具體的數字因CPU而異)

因此,程序中儘量使用連續的數據結構,這樣可以充分發揮CPU緩存的威力。 這種對緩存友好的算法稱爲 Cache-oblivious algorithm, 有興趣可以參考相關資料。

總結一下, 各種存儲器的速度差異很大,在編程中絕對有必要考慮這個因素。 比如,內存速度比硬盤快1萬倍,所以程序中應該儘量避免頻繁的硬盤讀寫;CPU緩存比內存快幾十倍,在程序中儘量多加利用。

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