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

  1. 云栖社区>
  2. 博客>
  3. 正文

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

无信不立 2014-07-15 12:02:00 浏览713
展开阅读全文

概要

前面,我们学完了List的全部内容(ArrayList, LinkedList, Vector, Stack)。

Java 集合系列03之 ArrayList详细介绍(源码解析)和使用示例 

Java 集合系列04之 fail-fast总结(通过ArrayList来说明fail-fast的原理、解决办法) 

Java 集合系列05之 LinkedList详细介绍(源码解析)和使用示例

Java 集合系列06之 Vector详细介绍(源码解析)和使用示例

Java 集合系列07之 Stack详细介绍(源码解析)和使用示例

现在,我们再回头看看总结一下List。内容包括:
第1部分 List概括
第2部分 List使用场景
第3部分 LinkedList和ArrayList性能差异分析
第4部分 Vector和ArrayList比较

转载请注明出处:http://www.cnblogs.com/skywang12345/p/3308900.html

 

第1部分 List概括

先回顾一下List的框架图

(01) List 是一个接口,它继承于Collection的接口。它代表着有序的队列。
(02) AbstractList 是一个抽象类,它继承于AbstractCollection。AbstractList实现List接口中除size()、get(int location)之外的函数。
(03) AbstractSequentialList 是一个抽象类,它继承于AbstractList。AbstractSequentialList 实现了“链表中,根据index索引值操作链表的全部函数”。

(04) ArrayList, LinkedList, Vector, Stack是List的4个实现类。
  ArrayList 是一个数组队列,相当于动态数组。它由数组实现,随机访问效率高,随机插入、随机删除效率低。
  LinkedList 是一个双向链表。它也可以被当作堆栈、队列或双端队列进行操作。LinkedList随机访问效率低,但随机插入、随机删除效率低。
  Vector 是矢量队列,和ArrayList一样,它也是一个动态数组,由数组实现。但是ArrayList是非线程安全的,而Vector是线程安全的。
  Stack 是栈,它继承于Vector。它的特性是:先进后出(FILO, First In Last Out)。

 

第2部分 List使用场景

学东西的最终目的是为了能够理解、使用它。下面先概括的说明一下各个List的使用场景后面再分析原因

如果涉及到“栈”、“队列”、“链表”等操作,应该考虑用List,具体的选择哪个List,根据下面的标准来取舍。
(01) 对于需要快速插入,删除元素,应该使用LinkedList。
(02) 对于需要快速随机访问元素,应该使用ArrayList。
(03) 对于“单线程环境” 或者 “多线程环境,但List仅仅只会被单个线程操作”,此时应该使用非同步的类(如ArrayList)。
       对于“多线程环境,且List可能同时被多个线程操作”,此时,应该使用同步的类(如Vector)。


通过下面的测试程序,我们来验证上面的(01)和(02)结论。参考代码如下:

复制代码
 1 import java.util.*;
 2 import java.lang.Class;
 3 
 4 /*
 5  * @desc 对比ArrayList和LinkedList的插入、随机读取效率、删除的效率
 6  *
 7  * @author skywang
 8  */
 9 public class ListCompareTest {
10 
11     private static final int COUNT = 100000;
12 
13     private static LinkedList linkedList = new LinkedList();
14     private static ArrayList arrayList = new ArrayList();
15     private static Vector vector = new Vector();
16     private static Stack stack = new Stack();
17 
18     public static void main(String[] args) {
19         // 换行符
20         System.out.println();
21         // 插入
22         insertByPosition(stack) ;
23         insertByPosition(vector) ;
24         insertByPosition(linkedList) ;
25         insertByPosition(arrayList) ;
26 
27         // 换行符
28         System.out.println();
29         // 随机读取
30         readByPosition(stack);
31         readByPosition(vector);
32         readByPosition(linkedList);
33         readByPosition(arrayList);
34 
35         // 换行符
36         System.out.println();
37         // 删除 
38         deleteByPosition(stack);
39         deleteByPosition(vector);
40         deleteByPosition(linkedList);
41         deleteByPosition(arrayList);
42     }
43 
44     // 获取list的名称
45     private static String getListName(List list) {
46         if (list instanceof LinkedList) {
47             return "LinkedList";
48         } else if (list instanceof ArrayList) {
49             return "ArrayList";
50         } else if (list instanceof Stack) {
51             return "Stack";
52         } else if (list instanceof Vector) {
53             return "Vector";
54         } else {
55             return "List";
56         }
57     }
58 
59     // 向list的指定位置插入COUNT个元素,并统计时间
60     private static void insertByPosition(List list) {
61         long startTime = System.currentTimeMillis();
62 
63         // 向list的位置0插入COUNT个数
64         for (int i=0; i<COUNT; i++)
65             list.add(0, i);
66 
67         long endTime = System.currentTimeMillis();
68         long interval = endTime - startTime;
69         System.out.println(getListName(list) + " : insert "+COUNT+" elements into the 1st position use time:" + interval+" ms");
70     }
71 
72     // 从list的指定位置删除COUNT个元素,并统计时间
73     private static void deleteByPosition(List list) {
74         long startTime = System.currentTimeMillis();
75 
76         // 删除list第一个位置元素
77         for (int i=0; i<COUNT; i++)
78             list.remove(0);
79 
80         long endTime = System.currentTimeMillis();
81         long interval = endTime - startTime;
82         System.out.println(getListName(list) + " : delete "+COUNT+" elements from the 1st position use time:" + interval+" ms");
83     }
84 
85     // 根据position,不断从list中读取元素,并统计时间
86     private static void readByPosition(List list) {
87         long startTime = System.currentTimeMillis();
88 
89         // 读取list元素
90         for (int i=0; i<COUNT; i++)
91             list.get(i);
92 
93         long endTime = System.currentTimeMillis();
94         long interval = endTime - startTime;
95         System.out.println(getListName(list) + " : read "+COUNT+" elements by position use time:" + interval+" ms");
96     }
97 }
复制代码

运行结果如下

复制代码
Stack : insert 100000 elements into the 1st position use time:1640 ms
Vector : insert 100000 elements into the 1st position use time:1607 ms
LinkedList : insert 100000 elements into the 1st position use time:29 ms
ArrayList : insert 100000 elements into the 1st position use time:1617 ms

Stack : read 100000 elements by position use time:9 ms
Vector : read 100000 elements by position use time:6 ms
LinkedList : read 100000 elements by position use time:10809 ms
ArrayList : read 100000 elements by position use time:5 ms

Stack : delete 100000 elements from the 1st position use time:1916 ms
Vector : delete 100000 elements from the 1st position use time:1910 ms
LinkedList : delete 100000 elements from the 1st position use time:15 ms
ArrayList : delete 100000 elements from the 1st position use time:1909 ms
复制代码

从中,我们可以发现
插入10万个元素,LinkedList所花时间最短:29ms
删除10万个元素,LinkedList所花时间最短:15ms
遍历10万个元素,LinkedList所花时间最长:10809 ms;而ArrayList、Stack和Vector则相差不多,都只用了几秒。

考虑到Vector是支持同步的,而Stack又是继承于Vector的;因此,得出结论:
(01) 对于需要快速插入,删除元素,应该使用LinkedList。
(02) 对于需要快速随机访问元素,应该使用ArrayList。
(03) 对于“单线程环境” 或者 “多线程环境,但List仅仅只会被单个线程操作”,此时应该使用非同步的类。

 

第3部分 LinkedList和ArrayList性能差异分析

下面我们看看为什么LinkedList中插入元素很快,而ArrayList中插入元素很慢

LinkedList.java中向指定位置插入元素的代码如下

复制代码
// 在index前添加节点,且节点的值为element
public void add(int index, E element) {
    addBefore(element, (index==size ? header : entry(index)));
}

// 获取双向链表中指定位置的节点
private Entry<E> entry(int index) {
    if (index < 0 || index >= size)
        throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+
                                            ", Size: "+size);
    Entry<E> e = header;
    // 获取index处的节点。
    // 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。
    if (index < (size >> 1)) {
        for (int i = 0; i <= index; i++)
            e = e.next;
    } else {
        for (int i = size; i > index; i--)
            e = e.previous;
    }
    return e;
}

// 将节点(节点数据是e)添加到entry节点之前。
private Entry<E> addBefore(E e, Entry<E> entry) {
    // 新建节点newEntry,将newEntry插入到节点e之前;并且设置newEntry的数据是e
    Entry<E> newEntry = new Entry<E>(e, entry, entry.previous);
    // 插入newEntry到链表中
    newEntry.previous.next = newEntry;
    newEntry.next.previous = newEntry;
    size++;
    modCount++;
    return newEntry;
}
复制代码

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

接着,我们看看ArrayList.java中向指定位置插入元素的代码。如下:

复制代码
// 将e添加到ArrayList的指定位置
public void add(int index, E element) {
    if (index > size || index < 0)
        throw new IndexOutOfBoundsException(
        "Index: "+index+", Size: "+size);

    ensureCapacity(size+1);  // Increments modCount!!
    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
         size - index);
    elementData[index] = element;
    size++;
}
复制代码

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);

Sun JDK包的java/lang/System.java中的arraycopy()声明如下:

public static native void arraycopy(Object src, int srcPos, Object dest, int destPos, int length);

arraycopy()是个JNI函数,它是在JVM中实现的。sunJDK中看不到源码,不过可以在OpenJDK包中看到的源码。网上有对arraycopy()的分析说明,请参考:System.arraycopy源码分析 
实际上,我们只需要了解: 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!


通过上面的分析,我们就能理解为什么LinkedList中插入元素很快,而ArrayList中插入元素很慢。
“删除元素”与“插入元素”的原理类似,这里就不再过多说明。

 

接下来,我们看看 “为什么LinkedList中随机访问很慢,而ArrayList中随机访问很快”

先看看LinkedList随机访问的代码

复制代码
// 返回LinkedList指定位置的元素
public E get(int index) {
    return entry(index).element;
}

// 获取双向链表中指定位置的节点
private Entry<E> entry(int index) {
    if (index < 0 || index >= size)
        throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+
                                            ", Size: "+size);
    Entry<E> e = header;
    // 获取index处的节点。
    // 若index < 双向链表长度的1/2,则从前先后查找;
    // 否则,从后向前查找。
    if (index < (size >> 1)) {
        for (int i = 0; i <= index; i++)
            e = e.next;
    } else {
        for (int i = size; i > index; i--)
            e = e.previous;
    }
    return e;
}
复制代码

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。

下面看看ArrayList随机访问的代码 

复制代码
// 获取index位置的元素值
public E get(int index) {
    RangeCheck(index);

    return (E) elementData[index];
}

private void RangeCheck(int index) {
    if (index >= size)
        throw new IndexOutOfBoundsException(
        "Index: "+index+", Size: "+size);
}
复制代码

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。

 

第4部分 Vector和ArrayList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:

复制代码
// 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 {}
复制代码

  

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;
   而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;即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

复制代码
// 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)
复制代码

Vector的构造函数如下

复制代码
// 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)
复制代码

 

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”。
   而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:

复制代码
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);
    }
}
复制代码

Vector中容量增长的主要函数如下:

复制代码
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);
    }
}
复制代码

 

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:

复制代码
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");
        }
    };
}
复制代码

 


更多内容

01. Java 集合系列目录

02. Java 集合系列01之 总体框架

03. Java 集合系列03之 ArrayList详细介绍(源码解析)和使用示例

04. Java 集合系列04之 fail-fast总结(通过ArrayList来说明fail-fast的原理、解决办法)

05. Java 集合系列05之 LinkedList详细介绍(源码解析)和使用示例

06. Java 集合系列06之 Vector详细介绍(源码解析)和使用示例

07. Java 集合系列07之 Stack详细介绍(源码解析)和使用示例

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

09. Java 集合系列18之 Iterator和Enumeration比较

网友评论

登录后评论
0/500
评论
无信不立
+ 关注