常見Java集合實現細節——ArrayList和LinkedList

3、ArrayList和LinkedList

       在List集合的實現類中，主要有三個實現類：ArrayList、Vector、LinkedList。其中Vector還有一個Stack子類，這個Stack子類僅在Vector父類的基礎之上增加了五個方法，這五個方法使得Vector擴展成爲Stack。

//stack源代碼
public class Stack<E> extends Vector<E> {
    public Stack() {
    }

    public E push(E item) {
        addElement(item);

        return item;
    }

    public synchronized E pop() {
        E       obj;
        int     len = size();

        obj = peek();
        removeElementAt(len - 1);

        return obj;
    }

    public synchronized E peek() {
        int     len = size();

        if (len == 0)
            throw new EmptyStackException();
        return elementAt(len - 1);
    }

    public boolean empty() {
        return size() == 0;
    }

    public synchronized int search(Object o) {
        int i = lastIndexOf(o);

        if (i >= 0) {
            return size() - i;
        }
        return -1;
    }

}

        從上面的代碼可以看出，Stack本質依然是一個Vector，並且是一個線程安全的類，因此Vector也是一個線程安全的類，只是增加了五個使用synchronized修飾的方法。

       實際上，即使程序中需要這種數據結構，Java也不推薦使用Stack類，而是推薦使用Deque實現類。從JDK1.6開始，Java提供了一個Deque接口，併爲該接口提供了一個ArrayDeque實現類。在無須保證線程安全的情況之下，程序中完全可以使用ArrayDeque來代替Stack類。Deque接口代表雙端隊列的數據結構。雙端隊列已經不再是簡單的隊列，它既具有隊列的性質(FIFO)，也具有棧的性質(FILO)。

3、1 Vector與ArrayList區別

       Vector和ArrayList這兩個集合類的本質並沒有太大的卻別，它們都實現了List接口，而且底層都是基於Java數組來存儲集合元素的。

       從序列化機制的角度來看，ArrayList的實現比Vector的實現更安全。除此之外，Vector其實就是ArrayList的線程安全版本，ArrayList和Vector絕大部分的方法實現都是相同的，只是Vector的方法增加了synchronized進行修飾。除此之外，Vector是一個非常古老的集合，從JDK1.0就開始存在了，那時候它已經包含了大量從操作集合元素的方法，但是這些方法都具有方法名冗長、難於記憶的特點。隨着JDK1.2增加了List接口之後，Vector改爲實現了List接口，因此Vector將原有的方法進行了包裝，包裝成了遵循List接口規範的新方法。

       由於Vector包含的方法比ArrayList更多，而且ArrayList的序列化實現比Vector的序列化實現更安全，因此Vector基本上已經被ArrayList所代替。Vector唯一的好處就是線程安全。

提示：即使需要在多線程的環境下使用List集合，而且需要保證List集合的線程安全，則應該考慮將ArrayList包裝成線程安全的集合類。Java提供了一個Collections工具類，通過該工具類的synchronizedList方法即可將一個普通的ArrayList包裝成一個線程安全的ArrayList。

3、2 ArrayList與LinkedList區別

       List代表了一種線性表的數據結構，ArrayList則是一種順序存儲的線性表，底層是採用數組來保存每一個集合元素，LinkedList則是一種鏈式存儲的線性表，其本質上就是一個雙向鏈表，但它不僅實現了List接口，還實現了Deque接口。也就是說，LinkedList既可以當成雙向鏈表使用，也可以當成隊列使用，還可以當成棧來使用（Deque代表雙端隊列， 既具有隊列的特徵，也具有棧的特徵）。

       ArrayList底層採用一個數組來保存所有的集合元素，因此在插入元素時要完成下面兩件事情。

• 保證底層封裝的數組長度大於集合元素的個數。
• 將插入位置之後的所有數組元素整體向後移動一個位置。

       反過來，當刪除ArrayList集合中指定位置的元素時，程序也要進行整體移動，而且還需要將被刪除索引的地方的數組元素賦爲null。因此，對於ArrayList集合來說，當程序向其中添加、刪除元素時，ArrayList底層都要對數組進行整體的移動，所以性能非常差。但如果程序調用get(int index)方法來取出ArrayList集合中的元素時，性能和數組一樣都非常的快。

       LinkedList本質上就是一個雙向鏈表，因此它在添加集合元素時，只要對鏈表進行如圖所示的操作即可添加一個新的節點，因此可以非常方便地在指定節點之前插入新節點。如果只是單純地添加某個節點，那麼LinkedList的性能會非常的好；但如果需要向指定索引處添加節點，LinkedList必須先找到指定索引處的節點——這個搜索過程的系統開銷並不小。

       但是LinkedList取出指定的元素就比較麻煩，必須逐個元素地搜索，直到找到第index個元素爲止，因此對於系統的開銷也比較大。

3、3 ArrayList與LinkedList性能分析及適用場景

       當程序需要以get(int index)方法獲取List集合指定索引處的元素時，ArrayList性能大大地由於LinkedList。因爲ArrayList底層以數組來保存集合元素，所以調用該方法獲取指定索引處的元素時，底層實際上調用elementData[index]來返回元素，因此性能非常好。而LinkedList則必須逐個地搜索。

       當程序調用add(int index , Object obj)方法向List集合中添加元素時，LinkedList性能高於ArrayList。因爲ArrayList必須對底層數組元素進行整體移動。如果添加元素導致集合長度超過了底層數組長度，ArrayList必須創建一個長度爲原來長度1.5倍的數組，再由垃圾回收機制回收原有數組，因此係統開銷比較大。對於LinkedList而言，它的主要開銷集中在entry(int index)方法，該方法必須逐個地搜索，直到找到index處的元素，然後在該元素之前插入新元素。

       當程序調用remove(int index)方法刪除index索引出的元素時，ArrayList同樣也需要對底層數組進行整體移動，但調用remove(int index)刪除集合元素時，ArrayList無須考慮創建新數組，因此執行該方法比ArrayList執行add(int index , Object obj)方法略微快一點。當LinkedList調用remove(int index)方法刪除集合元素時，與調用add(int index , Object obj)開銷幾乎相同。

       當調用add(Object obj)方法向List集合尾端添加一個元素時，大部分時候ArrayList無須對底層數組元素進行整體移動，因此也可以獲得很好的性能（甚至比LinkedList的性能更好）；但如果添加這個元素導致集合長度超過了底層數組長度，ArrayList必須創建一個長度爲原來長度1.5倍的數組，再由垃圾回收機制回收原有數組，這樣系統開銷就比較大了。但LinkedList調用add(Object obj)方法添加元素時總可以獲得很好的性能。

       當程序把LinkedList當成雙端隊列、棧使用時，LinkedList可以快速定位需要操作的元素，因此LinkedList總是具有更好的性能表現。

       總而言之，大部分情況之下，ArrayList的性能總是優於LinkedList，因此大部分情況下都應該優先考慮ArrayList集合。但是如果程序經常需要添加、刪除元素，尤其是經常需要調用add(E e)方法向集合中添加元素，則應該考慮使用LinkedList集合。