ArrayList和LinkedList如何實現的？

千鋒Python唐小強發表於2020-08-14

說真的，在 Java 使用最多的集合類中，List 絕對佔有一席之地的，它和 Map 一樣適用於很多場景，非常方便我們的日常開發，畢竟儲存一個列表的需求隨處可見。儘管如此，還是有很多同學沒有弄明白 List 中  ArrayList 和  LinkedList 有什麼區別，這簡直太遺憾了，這兩者其實都是資料結構中的 基礎內容，這篇文章會從 基礎概念開始，分析兩者在 Java 中的 具體原始碼實現，尋找兩者的不同之處，最後思考它們使用時的注意事項。

本文包含以下內容。

  1. 介紹線性表的概念，詳細介紹線性表中 陣列和 連結串列的資料結構。
  2. 進行 ArrayList 的原始碼分析，比如儲存結構、擴容機制、資料新增、資料獲取等。
  3. 進行 LinkedList 的原始碼分析，比如它的儲存結構、資料插入、資料查詢、資料刪除和 LinkedList 作為佇列的使用方式等。
  4. 進行 ArrayList 和 LinkedList 的總結。

線性表

要研究  ArrayList 和  LinkedList ，首先要弄明白什麼是 線性表，這裡引用百度百科的一段文字。

線性表是最基本、最簡單、也是最常用的一種資料結構。線性表（linear list）是資料結構的一種，一個線性表是n個具有相同特性的資料元素的有限序列。

你肯定看到了，線性表在資料結構中是一種 最基本、最簡單、最常用的資料結構。它將資料一個接一個的排成一條線（可能邏輯上），也因此線性表上的每個資料只有前後兩個方向，而在資料結構中， 陣列、連結串列、棧、佇列都是線性表。你可以想象一下整整齊齊排隊的樣子。

ArrayList和LinkedList如何實現的？

看到這裡你可能有疑問了，有線性表，那麼肯定有 非線性表嘍？沒錯。 二叉樹和 圖就是典型的非線性結構了。不要被這些花裡胡哨的圖嚇到，其實這篇文章非常簡單，希望同學耐心看完 點個贊。

ArrayList和LinkedList如何實現的？

陣列

既然知道了什麼是線性表，那麼理解陣列也就很容易了，首先陣列是線性表的一種實現。陣列是由 相同型別元素組成的一種資料結構，陣列需要分配 一段連續的記憶體用來儲存。注意關鍵詞， 相同型別， 連續記憶體，像這樣。

ArrayList和LinkedList如何實現的？

不好意思放錯圖了，像這樣。

ArrayList和LinkedList如何實現的？

上面的圖可以很直觀的體現陣列的儲存結構，因為陣列記憶體地址連續，元素型別固定，所有具有 快速查詢某個位置的元素的特性；同時也因為陣列需要一段連續記憶體，所以長度在初始化 長度已經固定，且不能更改。Java 中的  ArrayList 本質上就是一個陣列的封裝。

連結串列

連結串列也是一種線性表，和陣列不同的是連結串列 不需要連續的記憶體進行資料儲存，而是在每個節點裡同時 儲存下一個節點的指標，又要注意關鍵詞了，每個節點都有一個指標指向下一個節點。那麼這個連結串列應該是什麼樣子呢？看圖。

ArrayList和LinkedList如何實現的？

哦不，放錯圖了，是這樣。

ArrayList和LinkedList如何實現的？

上圖很好的展示了連結串列的儲存結構，圖中每個節點都有一個指標指向下一個節點位置，這種我們稱為 單向連結串列；還有一種連結串列在每個節點上還有一個指標指向上一個節點，這種連結串列我們稱為 雙向連結串列。圖我就不畫了，像下面這樣。

ArrayList和LinkedList如何實現的？

可以發現連結串列不必連續記憶體儲存了，因為連結串列是透過節點指標進行下一個或者上一個節點的，只要找到頭節點，就可以以此找到後面一串的節點。不過也因此，連結串列在 查詢或者訪問某個位置的節點時，需要**O(n) 的時間複雜度。但是插入資料時可以達到O(1)**的複雜度，因為只需要修改節點指標指向。

ArratList

上面介紹了線性表的概念，並舉出了兩個線性表的實際實現例子，既陣列和連結串列。在 Java 的集合類 ArrayList 裡，實際上使用的就是陣列儲存結構，ArrayList 對 Array 進行了封裝，並增加了方便的插入、獲取、擴容等操作。因為 ArrayList 的底層是陣列，所以存取非常迅速，但是增刪時，因為要移動後面的元素位置，所以增刪效率相對較低。那麼它具體是怎麼實現的呢？不妨深入原始碼一探究竟。

ArrayList 儲存結構

檢視 ArrayList 的原始碼可以看到它就是一個簡單的陣列，用來資料儲存。


/**


 * The array buffer into which the elements of the ArrayList are stored.


 * The capacity of the ArrayList is the length of this array buffer. Any


 * empty ArrayList with elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA


 * will be expanded to DEFAULT_CAPACITY when the first element is added.


 */


transient 
Object
[] 
elementData; 
// non-private to simplify nested class access




/**


 * Shared empty array instance used for default sized empty instances. We


 * distinguish this from EMPTY_ELEMENTDATA to know how much to inflate when


 * first element is added.


 */


private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};




/**


 * Default initial capacity.


 */


private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

透過上面的註釋瞭解到，ArrayList 無參構造時是會共享一個長度為 0 的陣列 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA. 只有當第一個元素新增時才會第一次擴容，這樣也防止了建立物件時更多的記憶體浪費。

ArrayList 擴容機制

我們都知道陣列的大小一但確定是不能改變的，那麼 ArrayList 明顯可以不斷的新增元素，它的底層又是陣列，它是怎麼實現的呢？從上面的 ArrayList 儲存結構以及註釋中瞭解到，ArrayList 在初始化時，是共享一個長度為 0 的陣列的，當第一個元素新增進來時會進行第一次擴容，我們可以想像出 ArrayList 每當空間不夠使用時就會進行一次擴容，那麼擴容的機制是什麼樣子的呢?

依舊從原始碼開始，追蹤 add() 方法的內部實現。

/**

 * Appends the specified element to the 
end of this list.

 *

 * @param e element to be appended to this list

 * @return <tt>
true<
/tt> (as specified by {@link Collection#add})


 */


public boolean add(E e) {

    ensureCapacityInternal(size + 
1);  
// Increments modCount!!

    elementData[size++] = e;

    
return 
true;

}

/
/ 開始檢查當前插入位置時陣列容量是否足夠


private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {


    /
/ ArrayList 是否未初始化，未初始化是則初始化 ArrayList ，容量給 10.


    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {


        minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);


    }


    ensureExplicitCapacity(minCapacity);


}


/
/ 比較插入 index 是否大於當前陣列長度，大於就 grow 進行擴容


private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {


    modCount++;


    /
/ overflow-conscious code


    if (minCapacity - elementData.length > 0)


        grow(minCapacity);


}




/**

 * Increases the capacity to 
ensure that it can hold at least the

 * number of elements specified by the minimum capacity argument.

 *

 * @param minCapacity the desired minimum capacity

 *
/


private void grow(int minCapacity) {


    /
/ overflow-conscious code


    int oldCapacity = elementData.length;


    /
/ 擴容規則是當前容量 + 當前容量右移1位。也就是1.5倍。


    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);


    if (newCapacity - minCapacity < 0)


        newCapacity = minCapacity;


    /
/ 是否大於 Int 最大值，也就是容量最大值


    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)


        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);


    /
/ minCapacity is usually close to size, so this is a win:


    /
/ 複製元素到擴充後的新的 ArrayList


    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);


}

透過原始碼發現擴容邏輯還是比較簡單的，整理下具體的擴容流程如下：

  1. 開始檢查當前插入位置時陣列容量是否足夠
  2. ArrayList 是否未初始化，未初始化是則初始化 ArrayList ，容量給 10.
  3. 判斷當前要插入的下標是否大於容量不大於，插入新增元素，新增流程完畢。
  4. 如果所需的容量大於當前容量，開始擴充。擴容規則是當前容量 + 當前容量右移1位。也就是1.5倍。int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);如果擴充之後還是小於需要的最小容量，則把所需最小容量作為容量。如果容量大於預設最大容量，則使用 最大值 Integer 作為容量。複製老陣列元素到擴充後的新陣列
  5. 插入新增元素，新增流程完畢。

ArrayList 資料新增

上面分析擴容時候已經看到了新增一個元素的具體邏輯，因為底層是陣列，所以直接指定下標賦值即可，非常簡單。



public 
boolean 
add
(E e) {

    ensureCapacityInternal(size + 
1);  
// Increments modCount!!


    elementData[size++] = e; // 直接賦值


    return true;


}

但是還有一種新增資料得情況，就是新增時指定了要加入的下標位置。這時邏輯有什麼不同呢？


/**


 * Inserts the specified element at the specified position in this


 * list. Shifts the element currently at that position (if any) and


 * any subsequent elements to the right (adds one to their indices).


 *


 * 
@param index index at which the specified element is to be inserted


 * 
@param element element to be inserted


 * 
@throws IndexOutOfBoundsException {
@inheritDoc}


 */



public 
void 
add
(
int index, E element) {

    rangeCheckForAdd(index);

    ensureCapacityInternal(size + 
1);  
// Increments modCount!!


     // 指定下標開始所有元素後移一位


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


    elementData[index] = element;


    size++;


}

可以發現這種新增多了關鍵的一行，它的作用是把從要插入的座標開始的元素都向後移動一位，這樣才能給指定下標騰出空間，才可以放入新增的元素。

比如你要在下標為 3 的位置新增資料100，那麼下標為3開始的所有元素都需要後移一位。

ArrayList和LinkedList如何實現的？

由此也可以看到 ArrayList 的一個缺點， 隨機插入新資料時效率不高。

ArrayList 資料獲取

資料下標獲取元素值， 一步到位，不必多言。

public E get(
int 
index) {

    rangeCheck(
index);

    
return elementData(
index);

}

E elementData(
int 
index) {

    
return (E) elementData[
index];

}

LinkedList

LinkedList 的底層就是一個連結串列線性結構了，連結串列除了要有一個節點物件外，根據單向連結串列和雙向連結串列的不同，還有一個或者兩個指標。那麼 LinkedList 是單連結串列還是雙向連結串列呢？

LinkedList 儲存結構

依舊深入 LinkedList 原始碼一探究竟，可以看到 LinkedList 無參構造裡沒有任何操作，不過我們透過檢視變數 first、last 可以發現它們就是儲存連結串列第一個和最後 一個的節點。


transient 
int 
size 
= 
0
;


/**

 
* 
Pointer 
to 
first 
node.

 
* 
Invariant: 
(first 
== 
null 
&& 
last 
== 
null
) 
||

 
*            
(first.prev 
== 
null 
&& 
first.item 
!= 
null
)

 
*/


transient 
Node<E> 
first;




/**

 
* 
Pointer 
to 
last 
node.

 
* 
Invariant: 
(first 
== 
null 
&& 
last 
== 
null
) 
||

 
*            
(last.next 
== 
null 
&& 
last.item 
!= 
null
)

 
*/


transient 
Node<E> 
last;




/**

 
* 
Constructs 
an 
empty 
list.

 
*/


public 
LinkedList() 
{


}

變數 first 和 last 都是 Node 型別，繼而檢視 Node 原始碼。


private static 

class 
Node<
E> {

    E item;

    Node<E> next;

    Node<E> prev;



    Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {

        
this.item = element;

        
this.next = next;

        
this.prev = prev;

    }

}

可以看到這就是一個典型的 雙向連結串列結構，item 用來存放元素值；next 指向下一個 node 節點，prev 指向上一個 node 節點。

ArrayList和LinkedList如何實現的？

LinkedList 資料獲取

連結串列不像陣列是連續的記憶體地址，連結串列是透過next 和 prev 指向記錄連結路徑的，所以查詢指定位置的 node 只能遍歷查詢，檢視原始碼也是如此。



public E 
get
(
int index) {

    checkElementIndex(index);

    
return node(index).item;

}


/**


 * Returns the (non-null) Node at the specified element index.


 */


// 遍歷查詢 index 位置的節點資訊


Node<E> node(int index) {


    // assert isElementIndex(index);


    // 這裡判斷 index 是在當前連結串列的前半部分還是後半部分，然後決定是從


    // first 向後查詢還是從 last 向前查詢。


    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;


    }


}

查詢指定位置的 node 物件，這個部分要注意的是，查詢會首先判斷 index 是在當前連結串列的前半部分還是後半部分，然後決定是從 first 向後查詢還是從 last 向前查詢。這樣可以增加查詢速度。從這裡也可以看出連結串列在查詢指定位置元素時，效率不高。

LinkedList 資料新增

因為 LinkedList 是連結串列，所以 LinkedList 的新增也就是連結串列的資料新增了，這時候要根據要插入的位置的區分操作。

  1. 尾部插入public boolean add(E e) { linkLast(e); return true; } void linkLast(E e) { final Node<E> l = last; // 新節點，prev 為當前尾部節點，e為元素值，next 為 null， final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null); last = newNode; if (l == null) first = newNode; else // 目前的尾部節點 next 指向新的節點 l.next = newNode; size++; modCount++; } 預設的 add 方式就是尾部新增了，尾部新增的邏輯很簡單，只需要建立一個新的節點，新節點的 prev 設定現有的末尾節點，現有的末尾 Node 指向新節點 Node，新節點的 next 設為 null 即可。
  2. 中間新增下面是在指定位置新增元素，涉及到的原始碼部分。public void add(int index, E element) { checkPositionIndex(index); if (index == size) // 如果位置就是當前連結串列尾部，直接尾插 linkLast(element); else // 獲取 index 位置的節點，插入新的元素 linkBefore(element, node(index)); } /** * Inserts element e before non-null Node succ. */ // 在指定節點處新增元素，修改指定元素的下一個節點為新增元素，新增元素的下一個節點是查詢到得 node 的next節點指向， // 新增元素的上一個節點為查詢到的 node 節點，查詢到的 node 節點的 next 指向 node 的 prev 修改為新 Node 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++; } 可以看到指定位置插入元素主要分為兩個部分，第一個部分是查詢 node 節點部分，這部分就是上面介紹的 LinkedList 資料獲取部分，第二個部分是在查詢到得 node 物件後插入元素。主要就是修改 node 的 next 指向為新節點，新節點的 prev 指向為查詢到的 node 節點，新節點的 next 指向為查詢到的 node 節點的 next 指向。查詢到的 node 節點的 next 指向的 node 節點的 prev 修改為新節點。

LinkedList 資料刪除

依舊檢視原始碼進行分析，原始碼中看到如果節點是頭結點或者尾節點，刪除比較簡單。我們主要看刪除中間一個節點時的操作

public E 
remove(int index) {

    checkElementIndex(index);

    
return unlink(node(index));

}

/**

 * Unlinks non-null node x.

 */

E unlink(Node<E> x) {

    // 
assert x != null;

    final E element = x.item;

    final Node<E> 
next = x.
next;

    final Node<E> prev = x.prev;



    
if (prev == null) {

        first = 
next;

    } 
else {

        prev.
next = 
next;

        x.prev = null;

    }



    
if (
next == null) {

        last = prev;

    } 
else {

        
next.prev = prev;

        x.
next = null;

    }



    x.item = null;

    size
--;


    modCount++;


    return element;


}

node(index) 方法依舊是二分查詢目標位置，然後進行刪除操作。比如要刪除的節點叫做 X，刪除操作主要是修改 X 節點的 prev 節點的 next 指向為 X 節點的 next 指向，修改 X 節點的 next 節點的 prev 指向為 X 節點的 prev 指向，最後把 X 節點的 prev 和 next 指向清空。如果理解起來有點費勁，可以看下面這個圖，可能會比較明白。

ArrayList和LinkedList如何實現的？

擴充套件

你以為 LinkedList 只是一個 List，其他它不僅實現了 List 介面，還實現了 Deque ，所以它表面上是一個 List，其實它還是一個佇列。

public 

class 
LinkedList<E> 
extends 
AbstractSequentialList<E>


    
implements 
List<E>, 
Deque<E>, 
Cloneable, 
java.
io.
Serializable

體驗一下先進先出的佇列。

Queue<String> 
queue = 
new LinkedList<>();


queue.add(
"a");


queue.add(
"b");


queue.add(
"c");


queue.add(
"d");

System.out.println(
queue.poll());

System.out.println(
queue.poll());

System.out.println(
queue.poll());

System.out.println(
queue.poll());


// result：


// a


// b


// c


// d

同學可以思考一下這個佇列是怎麼實現的，其實很簡單對不對，就是先進先出嘛，poll 時刪除 first 節點不就完事了嘛。

總結

不管是 ArrayList 還是 LinkedList 都是開發中常用的集合類，這篇文章分析了兩者的底層實現，透過對底層實現的分析我們可以總結出兩者的主要優缺點。

  1. 遍歷，ArrayList 每次都是 直接定位，LinkedList 透過  next 節點定位，不相上下。這裡要注意的是 LinkedList 只有使用 迭代器的方式遍歷才會使用 next 節點。如果使用 get ，則因為遍歷查詢效率低下。
  2. 新增，ArrayList 可能會需要 擴容，中間插入時，ArrayList 需要 後移插入位置之後的所有元素。LinkedList  直接修改 node 的 prev, next 指向，LinkedList 勝出。
  3. 刪除，同 2.
  4. 隨機訪問指定位置，ArrayList 直接定位，LinkedList 從頭會尾開始查詢， 陣列勝出。

綜上所述，ArrayList 適合儲存和訪問資料，LinkedList 則更適合資料的處理，希望你以後在使用時可以合理的選擇 List 結構。



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