Java 深入学习（2） —— ArrayList、LinkedList、Vector 应用场景与性能分析

应用场景与性能差异

ArrayList 随机访问较快，增删较慢，线程不安全
LinkedList 增删较快，随机访问较慢，线程不安全
Vector 与 ArrayList 性能相近，但 Vector 线程安全

测试代码

package com.practice.list;

import java.util.*;

public class ListCompare {
private static final Integer N = 100000;
private static final Integer LOOP_TIME = 3;
private static List<Integer> array_list = new ArrayList<>();
private static List<Integer> vector_list = new Vector<>();
private static List<Integer> linked_list = new LinkedList<>();
private static long startTime;
private static long endTime;
private static long runtime;

private static void deleteElement(List list) {
runtime = 0;
for (int i = 0; i < LOOP_TIME; i++) {
startTime = System.currentTimeMillis();   //获取开始时间
for (int j = 0; j < N; j++) {
list.remove(0);
}
endTime = System.currentTimeMillis(); //获取结束时间
runtime += (endTime - startTime);
}
runtime /= LOOP_TIME;
System.out.println(getListName(list) + " remove(int index) 删除" +
"操作运行时间：" + runtime + " ms");
}

// 随机访问
private static void randomVisit(List list) {
runtime = 0;
for (int i = 0; i < LOOP_TIME; i++) {
startTime = System.currentTimeMillis();   //获取开始时间
for (int j = 0; j < N; j++) {
list.get((int)(Math.random()*(N-1)));
}
endTime = System.currentTimeMillis(); //获取结束时间
runtime += (endTime - startTime);
}
runtime /= LOOP_TIME;
System.out.println(getListName(list) + " get(int index) 随机访问" +
"操作运行时间：" + runtime + " ms");
}

// 随机位置插入元素
private static void addElement(List list) {
runtime = 0;
for (int i = 0; i < LOOP_TIME; i++) {
startTime = System.currentTimeMillis();   //获取开始时间
for (int j = 0; j < N; j++) {
list.add(0, j);
}
endTime = System.currentTimeMillis(); //获取结束时间
runtime += (endTime - startTime);
}
runtime /= LOOP_TIME;
System.out.println(getListName(list) + " add(int index, Object object) 增加" +
"操作运行时间：" + runtime + " ms");
}

// 顺序访问
private static void orderVisit(List list) {
runtime = 0;
for (int i = 0; i < LOOP_TIME; i++) {
startTime = System.currentTimeMillis();   //获取开始时间
for (Object num:list){
continue;
}
endTime = System.currentTimeMillis(); //获取结束时间
runtime += (endTime - startTime);
}
runtime /= LOOP_TIME;
System.out.println(getListName(list) + " get(int index) 顺序访问" +
"操作运行时间：" + runtime + " ms");
}

// 获取list的名称
private static String getListName(List list) {
if (list instanceof LinkedList) {
return "LinkedList";
} else if (list instanceof ArrayList) {
return "ArrayList";
} else if (list instanceof Vector) {
return "Vector";
} else {
return "List";
}
}

public static void main(String[] args) {

System.out.println("测试数据量为：" + N + "\r\n" + "求" + LOOP_TIME + "次测试的平均运行时间");
System.out.println("--------------------------------");

// 插入元素
addElement(array_list);     // O(n)
addElement(vector_list);    // O(n)
addElement(linked_list);    // O(1)
System.out.println("--------------------------------");

// 随机读取
randomVisit(array_list);    // O(1)
randomVisit(vector_list);   // O(1)
randomVisit(linked_list);   // O(n)
System.out.println("--------------------------------");

// 顺序读取
orderVisit(array_list);    // O(1)
orderVisit(vector_list);   // O(1)
orderVisit(linked_list);   // O(1)
System.out.println("--------------------------------");

// 删除元素
deleteElement(array_list);      // O(n)
deleteElement(vector_list);     // O(n)
deleteElement(linked_list);     // O(1)
System.out.println("--------------------------------");
}
}

测试结果

测试数据量为：100000
求3次测试的平均运行时间
--------------------------------
ArrayList add(int index, Object object) 增加操作运行时间：3051 ms
Vector add(int index, Object object) 增加操作运行时间：2786 ms
LinkedList add(int index, Object object) 增加操作运行时间：4 ms
--------------------------------
ArrayList get(int index) 随机访问操作运行时间：7 ms
Vector get(int index) 随机访问操作运行时间：8 ms
LinkedList get(int index) 随机访问操作运行时间：14131 ms
--------------------------------
ArrayList get(int index) 顺序访问操作运行时间：7 ms
Vector get(int index) 顺序访问操作运行时间：14 ms
LinkedList get(int index) 顺序访问操作运行时间：5 ms
--------------------------------
ArrayList remove(int index) 删除操作运行时间：2809 ms
Vector remove(int index) 删除操作运行时间：2807 ms
LinkedList remove(int index) 删除操作运行时间：2 ms
--------------------------------

Process finished with exit code 0

ArrayList 与 LinkedList 性能差异分析

为什么LinkedList中插入元素很快，而ArrayList中插入元素很慢？

LinkedList.java

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

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

private void checkPositionIndex(int index) {
if (!isPositionIndex(index))
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}

private boolean isPositionIndex(int index) {
return index >= 0 && index <= size;
}

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++;
}
Node<E> node(int index) {
// assert isElementIndex(index);

if (index < (size >> 1)) {
Node<E> x = first;
for (int i = 0; i < index; i++)
x = x.next;
return x;
} else {
Node<E> x = last;
for (int i = size - 1; i > index; i--)
x = x.prev;
return x;
}
}

从中，我们可以看出：通过add(int index, E element)向LinkedList插入元素时。先是在双向链表中找到要插入节点的位置index；找到之后，再插入一个新节点。双向链表查找index位置的节点时，有一个加速动作：若index < 双向链表长度的1/2，则从前向后查找; 否则，从后向前查找。

ArrayList.java

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++;
}

private void rangeCheckForAdd(int index) {
if (index > size || index < 0)
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}

ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}

ensureCapacity(size+1)

的作用是“确认ArrayList的容量，若容量不够，则增加容量。”

真正耗时的操作是

System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index);

System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index);

会移动index之后所有元素即可。这就意味着，ArrayList的

add(int index, E element)

函数，会引起index之后所有元素的改变！

“删除元素”与“插入元素”的原理类似。

为什么LinkedList中随机访问很慢，而ArrayList中随机访问很快？

LinkedList.java

public E get(int index) {
checkElementIndex(index);
return node(index).item;
}

Node<E> node(int index) {
// assert isElementIndex(index);

if (index < (size >> 1)) {
Node<E> x = first;
for (int i = 0; i < index; i++)
x = x.next;
return x;
} else {
Node<E> x = last;
for (int i = size - 1; i > index; i--)
x = x.prev;
return x;
}
}

从中，我们可以看出：通过get(int index)获取LinkedList第index个元素时。先是在双向链表中找到要index位置的元素；找到之后再返回。双向链表查找index位置的节点时，有一个加速动作：若index < 双向链表长度的1/2，则从前向后查找; 否则，从后向前查找。

ArrayList.java

public E get(int index) {
rangeCheck(index);
checkForComodification();
return ArrayList.this.elementData(offset + index);
}

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

从中，我们可以看出：通过get(int index)获取ArrayList第index个元素时。直接返回数组中index位置的元素，而不需要像LinkedList一样进行查找。

ArrayList 与 Vector 比较

相同之处

1 它们都是List

它们都继承于AbstractList，并且实现List接口。

ArrayList和Vector的类定义如下：

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

// Vector的定义
public class Vector<E> extends AbstractList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {}

2 它们都实现了RandomAccess和Cloneable接口

实现RandomAccess接口，意味着它们都支持快速随机访问；
实现Cloneable接口，意味着它们能克隆自己。

3 它们都是通过数组实现的，本质上都是动态数组

ArrayList.java中定义数组elementData用于保存元素

// 保存ArrayList中数据的数组
private transient Object[] elementData;

Vector.java中也定义了数组elementData用于保存元素

// 保存Vector中数据的数组
protected Object[] elementData;

4 它们的默认数组容量是10

若创建ArrayList或Vector时，没指定容量大小；则使用默认容量大小10。

ArrayList的默认构造函数如下：

// ArrayList构造函数。默认容量是10。
public ArrayList() {
this(10);
}

Vector的默认构造函数如下：

// Vector构造函数。默认容量是10。
public Vector() {
this(10);
}

5 它们都支持Iterator和listIterator遍历

它们都继承于AbstractList，而AbstractList中分别实现了 “iterator()接口返回Iterator迭代器” 和 “listIterator()返回ListIterator迭代器”。

不同之处

1 线程安全性不一样

ArrayList是非线程安全；

Vector是线程安全的，它的函数都是synchronized的，即都是支持同步的。

ArrayList适用于单线程，Vector适用于多线程。

2 对序列化支持不同

ArrayList支持序列化，而Vector不支持
ArrayList有实现java.io.Serializable接口，而Vector没有实现该接口。

3 构造函数个数不同

ArrayList有3个构造函数，而Vector有4个构造函数。Vector除了包括和ArrayList类似的3个构造函数之外，另外的一个构造函数可以指定容量增加系数。

ArrayList的构造函数如下：

// 默认构造函数
ArrayList()

// capacity是ArrayList的默认容量大小。当由于增加数据导致容量不足时，容量会添加上一次容量大小的一半。
ArrayList(int capacity)

// 创建一个包含collection的ArrayList
ArrayList(Collection<? extends E> collection)

Vector的构造函数如下：

// 默认构造函数
Vector()

// capacity是Vector的默认容量大小。当由于增加数据导致容量增加时，每次容量会增加一倍。
Vector(int capacity)

// 创建一个包含collection的Vector
Vector(Collection<? extends E> collection)

// capacity是Vector的默认容量大小，capacityIncrement是每次Vector容量增加时的增量值。
Vector(int capacity, int capacityIncrement)

4 容量增加方式不同

逐个添加元素时，若ArrayList容量不足时，“新的容量”=“(原始容量x3)/2 + 1”。

Vector的容量增长与“增长系数有关”，若指定了“增长系数”，且“增长系数有效(即，大于0)”；那么，每次容量不足时，“新的容量”=“原始容量+增长系数”。若增长系数无效(即，小于/等于0)，则“新的容量”=“原始容量 x 2”。

ArrayList中容量增长的主要函数如下：

public void ensureCapacity(int minCapacity) {
// 将“修改统计数”+1
modCount++;
int oldCapacity = elementData.length;
// 若当前容量不足以容纳当前的元素个数，设置 新的容量=“(原始容量x3)/2 + 1”
if (minCapacity > oldCapacity) {
Object oldData[] = elementData;
int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1;
if (newCapacity < minCapacity)
newCapacity = minCapacity;
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
}

Vector中容量增长的主要函数如下：

private void ensureCapacityHelper(int minCapacity) {
int oldCapacity = elementData.length;
// 当Vector的容量不足以容纳当前的全部元素，增加容量大小。
// 若 容量增量系数>0(即capacityIncrement>0)，则将容量增大当capacityIncrement
// 否则，将容量增大一倍。
if (minCapacity > oldCapacity) {
Object[] oldData = elementData;
int newCapacity = (capacityIncrement > 0) ?
(oldCapacity + capacityIncrement) : (oldCapacity * 2);
if (newCapacity < minCapacity) {
newCapacity = minCapacity;
}
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
}

5 对Enumeration的支持不同。Vector支持通过Enumeration去遍历，而List不支持

Vector中实现Enumeration的代码如下：

public Enumeration<E> elements() {
// 通过匿名类实现Enumeration
return new Enumeration<E>() {
int count = 0;

// 是否存在下一个元素
public boolean hasMoreElements() {
return count < elementCount;
}

// 获取下一个元素
public E nextElement() {
synchronized (Vector.this) {
if (count < elementCount) {
return (E)elementData[count++];
}
}
throw new NoSuchElementException("Vector Enumeration");
}
};
}

Reference

Java 集合系列08之 List总结(LinkedList, ArrayList等使用场景和性能分析)

https://www.cnblogs.com/skywang12345/p/3308900.html

Java数据结构之LinkedList、ArrayList的效率分析

https://www.cnblogs.com/whoislcj/p/6508851.html