一篇文章搞定ArrayList和LinkedList所有面试问题

梦里梦外; 2022-05-09 07:40 229阅读 0赞

在面试中经常碰到：ArrayList和LinkedList的特点和区别？

这个问题的回答应该分成这几部分

1.  介绍ArrayList底层实现
2.  介绍LinkedList底层实现
3.  两者个适用于哪些场合

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*  ArrayList的源码解读

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
            implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
    {
        private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;
    
        /**
         * Default initial capacity.
         */
        //默认容量是10
        private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
    
        /**
         * Shared empty array instance used for empty instances.
         */
        //当传入ArrayList构造器的容量为0时用这个数组表示：容器的容量为0
        private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
    
        /**
         * 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.
         */
        //主要作为一个标识位，在扩容时区分：默认大小和容量为0，使用默认容量时采取的是“懒加载”
        //即等到add元素的时候才进行实际容量的分配，后面扩容函数讲解还会提到这
        private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
    
        /**
         * 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.
         */
    
        //ArrayList底层使用Object数组保存的元素的
        transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
    
        /**
         * The size of the ArrayList (the number of elements it contains).
         *
         * @serial
         */
        //记录当前容器中有多少元素
        private int size;
    
        //最常用的构造器之一，实际上就是创建了一个指定大小的Object数组来保存之后add的元素
        public ArrayList(int initialCapacity) {
            if (initialCapacity > 0) {
                this.elementData = new Object[initialCapacity];
            } else if (initialCapacity == 0) {
                this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
            } else {
                throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                                   initialCapacity);
            }
        }
    
    //无参构造器，指向的是默认容量大小的Object数组，注意使用无参构造函数的时候并没有直接创建容量 
    //为10的Object数组,而是采取懒加载的策略：使用DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA（实际容量为0）
    //作为标识，在真正add元素时才会开辟Object数组，即在扩容函数中有处理默认容量的逻辑，后面会有分析
        public ArrayList() {
            this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
        }
    
       //省略一部分不常用代码函数
    
    
       //add是ArrayList最常用的接口，逻辑很简单，
       public boolean add(E e) {
         //主要用于标识线程安全，即ArrayList只能在单线程环境下使用，在多线程环境下会出现并发安全问 
         //题，modCount主要用于记录对ArrayList的修改次数，如果一个线程操作期间modCount发生了变化
         //即，有多个线程同时修改当前这个ArrayList，此时会抛出“ConcurrentModificationException”
         //异常，这又被称为“failFast机制”，在很多非线程安全的类中都有failFast机制：HashMap、 
         //LinkedList等。这个机制主要用于迭代器、加强for循环等相关功能，也就是一个线程在迭代一个容器 
         //时，如果其他线程改变了容器内的元素，迭代的这个线程会抛 
         //出“ConcurrentModificationException”异常
    
            modCount++;
    
            //add操作的核心函数，当使用无参构造器时并没有直接分配大小为10的Object数组，这里面有对应 
            //的处理逻辑
            add(e, elementData, size);
            return true;
        }
        private void add(E e, Object[] elementData, int s) {
            if (s == elementData.length)//如果使用无参构造器：开始时length为0，s也为0
                elementData = grow();//核心函数
            elementData[s] = e;
            size = s + 1;
        }
         private Object[] grow() {
            return grow(size + 1);//继续追踪
        }
        private Object[] grow(int minCapacity) {
            //使用数组复制的方式，扩容：将elementData所有元素复制到一个新数组中，这个新数组的长度是 
            //newCapacity()函数的返回值，之后再把这个新数组赋值给elementData，完成扩容
            //进入newCapacity()函数
            return elementData = Arrays.copyOf(elementData,
                                               newCapacity(minCapacity));
        }
         private int newCapacity(int minCapacity) {//返回的是扩容后数组的长度
            // overflow-conscious code
            int oldCapacity = elementData.length;
            int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);//扩容后为原来容量的1.5倍
            if (newCapacity - minCapacity <= 0) {
                if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)//默认容量的处理
                    return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        
                //minCapacity是int类型，有溢出的可能，也就是ArrayList最大大小是Integer.MAX_VALUE
                if (minCapacity < 0) // overflow
                    throw new OutOfMemoryError();
    
                return minCapacity;
            }
    
            //MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8,当扩容后大于MAX_ARRAY_SIZE ，返回 
           //hugeCapacity(minCapacity),其实就是Integer.MAX_VALUE
            return (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE <= 0)
                ? newCapacity
                : hugeCapacity(minCapacity);
        }
        private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
            if (minCapacity < 0) // overflow
                throw new OutOfMemoryError();
            return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE)
                ? Integer.MAX_VALUE
                : MAX_ARRAY_SIZE;
        }
    
    //最后看下ArrayList的failFast机制
    private class Itr implements Iterator<E> {
            int cursor;       // index of next element to return
            int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such
            //在迭代之前先保存modCount的值，modCount在改变容器元素、容器大小时会自增
            int expectedModCount = modCount;
    
            // prevent creating a synthetic constructor
            Itr() {}
    
            public boolean hasNext() {
                return cursor != size;
            }
    
            @SuppressWarnings("unchecked")
            public E next() {
               //使用迭代器遍历元素的时候先检查modCount的值是否等于预期的值，进入该函数
                checkForComodification();
                int i = cursor;
                if (i >= size)
                    throw new NoSuchElementException();
                Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
                if (i >= elementData.length)
                    throw new ConcurrentModificationException();
                cursor = i + 1;
                return (E) elementData[lastRet = i];
            }
        
          //可以发现：在迭代期间如果有线程改变了容器，此时会抛出“ConcurrentModificationException”
           final void checkForComodification() {
                if (modCount != expectedModCount)
                    throw new ConcurrentModificationException();
            }

ArrayList的其他操作：get、remove、indexOf其实就很简单了，都是对Object数组的操作：获取数组某个索引位置的元素，删除数组中某个元素，查找数组中某个元素的位置......所以说理解原理很重要

上面注释的部分就是ArrayList的考点，主要有：初始容量、最大容量、使用Object数组保存元素（数组与链表的异同）、扩容机制（1.5倍）、failFast机制 等

*  LinkedList源码分析

public class LinkedList<E>
        extends AbstractSequentialList<E>
        implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable
    {
        //LinkedList的size是int类型，但是后面会看到LinkedList大小实际只受内存大小的限制
        //也就是LinkedList的size大小可能发生溢出，返回负数
        transient int size = 0;
    
        /**
         * Pointer to first node.
         */
        //LinkedList底层使用双向链表实现，并保留了头尾两个节点的引用
        transient Node<E> first;//头节点
    
        /**
         * Pointer to last node.
         */
        transient Node<E> last;//尾节点
    
    
    //省略一部分无关代码，LinkedList内部类Node
    private static class Node<E> {
            E item;//元素值
            Node<E> next;//后继节点
            Node<E> prev;//前驱节点,即Node是双向链表
    
            Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {//Node的构造器
                this.item = element;
                this.next = next;
                this.prev = prev;
            }
        }
    
    //LinkedList无参构造器：什么都没做
    public LinkedList() {}
    
    //LinkedList的大部分接口都是基于这几个接口实现的：
    //1.往链表头部插入元素
    //2.往链表尾部插入元素
    //3.在指定节点的前面插入一个节点
    //4.删除链表的头结点
    //5.删除除链表的尾节点
    //6.删除除链表中的指定节点
    
    private void linkFirst(E e) {//1.往链表头部插入元素
            final Node<E> f = first;
            final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
            first = newNode;
            if (f == null)
                last = newNode;
            else
                f.prev = newNode;
            size++;
            modCount++;//failFast机制
        }
    
        /**
         * Links e as last element.
         */
        void linkLast(E e) {//2.往链表尾部插入元素
            final Node<E> l = last;
            final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
            last = newNode;
            if (l == null)
                first = newNode;
            else
                l.next = newNode;
            size++;
            modCount++;//failFast机制
        }
    
        /**
         * Inserts element e before non-null Node succ.
         */
        void linkBefore(E e, Node<E> succ) {//3.在指定节点(succ)的前面插入一个节点
            // 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++;//failFast机制
        }
    
        /**
         * Unlinks non-null first node f.
         */
        private E unlinkFirst(Node<E> f) {//4.删除链表的头结点
            // assert f == first && f != null;
            final E element = f.item;
            final Node<E> next = f.next;
            f.item = null;
            f.next = null; // help GC
            first = next;
            if (next == null)
                last = null;
            else
                next.prev = null;
            size--;
            modCount++;//failFast机制
            return element;
        }
    
        /**
         * Unlinks non-null last node l.
         */
        private E unlinkLast(Node<E> l) {//5.删除除链表的尾节点
            // assert l == last && l != null;
            final E element = l.item;
            final Node<E> prev = l.prev;
            l.item = null;
            l.prev = null; // help GC
            last = prev;
            if (prev == null)
                first = null;
            else
                prev.next = null;
            size--;
            modCount++;//failFast机制
            return element;
        }
    
        /**
         * Unlinks non-null node x.
         */
        E unlink(Node<E> x) {//6.删除除链表中的指定节点
            // 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++;//failFast机制
            return element;
        }
    
    
      //LinkedList常用接口的实现
      public E removeFirst() {
            final Node<E> f = first;
            if (f == null)
                throw new NoSuchElementException();
            return unlinkFirst(f);//调用  4.删除链表的头结点  实现
        }
    
        public E removeLast() {
            final Node<E> l = last;
            if (l == null)
                throw new NoSuchElementException();
            return unlinkLast(l);//调用  5.删除除链表的尾节点  实现
        }
    
       public void addFirst(E e) {
            linkFirst(e);//调用  1.往链表头部插入元素  实现
        }
    
       public void addLast(E e) {
            linkLast(e);//调用  2.往链表尾部插入元素  实现
        }
    
      public boolean add(E e) {
            linkLast(e);//调用  2.往链表尾部插入元素  实现
            return true;
        }
    
    public boolean remove(Object o) {
            if (o == null) {
                for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
                    if (x.item == null) {
                        unlink(x);//调用  6.删除除链表中的指定节点  实现
                        return true;
                    }
                }
            } else {
                for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
                    if (o.equals(x.item)) {
                        unlink(x);//调用  6.删除除链表中的指定节点  实现
                        return true;
                    }
                }
            }
            return false;
        }
    
    
    //省略其他无关函数
    
    
    //迭代器中的failFast机制
    private class ListItr implements ListIterator<E> {
            private Node<E> lastReturned;
            private Node<E> next;
            private int nextIndex;
    
            //在迭代之前先保存modCount的值，modCount在改变容器元素、容器大小时会自增
            private int expectedModCount = modCount;
    
            ListItr(int index) {
                // assert isPositionIndex(index);
                next = (index == size) ? null : node(index);
                nextIndex = index;
            }
    
            public boolean hasNext() {
                return nextIndex < size;
            }
    
            public E next() {
                使用迭代器遍历元素的时候先检查modCount的值是否等于预期的值，进入该函数
                checkForComodification();
                if (!hasNext())
                    throw new NoSuchElementException();
    
                lastReturned = next;
                next = next.next;
                nextIndex++;
                return lastReturned.item;
            }
        
          //可以发现：在迭代期间如果有线程改变了容器，此时会抛出“ConcurrentModificationException”
          final void checkForComodification() {
                if (modCount != expectedModCount)
                    throw new ConcurrentModificationException();
            }

LinkedList的实现较为简单：底层使用双向链表实现、保留了头尾两个指针、LinkedList的其他操作基本都是基于上面那7个函数实现的，另外LinkedList也有FailFast机制：这个机制主要在迭代器中会使用。

*  数组和链表各自的特性

数组和链表的特性差异，本质是：连续空间存储和非连续空间存储的差异，主要有下面两点：

1.  ArrayList：底层是Object数组实现的：由于数组的地址是连续的，数组支持O(1)随机访问；数组在初始化时需要指定容量；数组不支持动态扩容，像ArrayList、Vector和Stack使用的时候看似不用考虑容量问题（因为可以一直往里面存放数据）；但是它们的底层实际做了扩容；数组扩容代价比较大，需要开辟一个新数组将数据拷贝进去，数组扩容效率低；适合读数据较多的场合
2.  LinkedList：底层使用一个Node数据结构，有前后两个指针，双向链表实现的。相对数组，链表插入效率较高，只需要更改前后两个指针即可；另外链表不存在扩容问题，因为链表不要求存储空间连续，每次插入数据都只是改变last指针；另外，链表所需要的内存比数组要多，因为他要维护前后两个指针；它适合删除，插入较多的场景。另外，LinkedList还实现了Deque接口。

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