大白话+画图从源码角度一步步搞懂ArrayList和LinkedList的使用

ゝ一世哀愁。 2023-10-04 22:33 22阅读 0赞

### 1.说说ArrayList ###

#### 1.基本原理 ####

ArrayList，原理就是底层基于数组来实现。

**01.基本原理：**

> 数组的长度是固定的，java里面数组都是定长数组，比如数组大小设置为100，此时你不停的往ArrayList里面塞入这个数据，此时元素数量超过了100以后，此时就会发生一个数组的扩容，就会搞一个更大的数组，把以前的数组拷贝到新的数组里面去。

这个数组扩容+元素拷贝的过程，相对来说会慢一些

**02.缺点：**

**01：不要频繁的往arralist里面去塞数据，导致他频繁的数组扩容，避免扩容的时候较差的性能影响了系统的运行。**

**02：** 数组来实现，数组你要是往数组的中间加一个元素，是不是要把数组中那个新增元素后面的元素全部往后面挪动一位，所以说，**如果你是往ArrayList中间插入一个元素，或者随机删除某个元素，性能比较差，会导致他后面的大量的元素挪动一个位置**。

**03.优点：**

**基于数组来实现，非常适合随机读，你可以随机的去读数组中的某个元素**。

> 例如：list.get(10)，相当于是在获取第11个元素，这个随机读的性能是比较高的，随机读，list.get(2)，list.get(20)，随机读list里任何一个元素。
> 
> 因为基于数组来实现，他在随机获取数组里的某个元素的时候，性能很高，他可以基于他底层对数组的实现来快速的随机读取到某个元素，直接可以通过内存地址来定位某个元素。

**04.常用场景：**

> ArrayList，常用，如果你不会频繁的在里面插入一些元素，不会导致频繁的元素的位置移动、数组扩容，就是有一批数据，查询出来，灌入ArrayList中，后面不会频繁插入元素了，主要就是遍历这个集合，或者是通过索引随机读取某个元素。
> 
> 如果果你涉及到了频繁的插入元素到list中的话，尽量还是不要用ArrayList，数组，定长数组，长度是固定的，元素大量的移动，数组的扩容+元素的拷贝。

**05.场景示例：**

> 开发系统的时候，大量的场景，需要一个集合，里面可以按照顺序灌入一些数据，ArrayList的话呢，他的最最主要的功能作用，就是说他里面的元素是有顺序的，我们在系统里的一些数据，都是需要按照我插入的顺序来排列的。

#### 2.源码剖析 ####

01.核心方法的剖析

咱们来启动一个demo工程，在里面写写集合的代码，跟进去看看各种集合的实现原理，直接可以看JDK底层的源码。

(1).示例代码：

public class ArrayListDemo {
        public static void main(String[] args) {
            ArrayList<String> sayLove =new ArrayList<String>();
           sayLove.add("老婆，早上好");
            sayLove.add("老婆，下午好");
            sayLove.add("老婆，下班啦，我去找你");
            sayLove.set(0,"老婆，早上好,我们一起吃早饭吧");
            sayLove.add(2,"老婆，注意坐姿，不要久坐哦");
        }
    }
    复制代码

(2).构造函数分析：

默认的构造函数，直接初始化一个ArrayList实例的话，会将内部的数组做成一个默认的空数组，\{\}，Object\[\]，他有一个默认的初始化的数组的大小的数值，是10，也就是我们可以认为他默认的数组初始化的大小就是只有10个元素。

private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};//空数组
    
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    
     private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;//初始容量 10
    复制代码

**注意点：**

> ArrayList的话，玩儿好的话，一般来说，你应该都不是使用这个默认的构造函数，你构造一个ArrayList的话，基本上来说就是默认他里面不会有太频繁的插入、移除元素的操作，大体上他里面有多少元素，你应该可以推测一下的。
> 
> 基本上最好是给ArrayList构造的时候，给一个比较靠谱的初始化的数组的大小，比如说，100个数据，1000,10000，避免数组太小，往里面塞入数据的时候，导致数据不断的扩容，不断的搞新的数组。
> 
> `ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!`
> 
> 你每次往ArrayList中塞入数据的时候，人家都会判断一下，当前数组的元素是否塞满了，如果塞满的话，此时就会扩容这个数组，然后将老数组中的元素拷贝到新数组中去，确保说数组一定是可以承受足够多的元素的。

(3).add(E)方法

> 日常多表白，恩爱不懈怠。

分析如下：

public boolean add(E e) {
            ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
            elementData[size++] = e;
            return true;
        }
    复制代码

`#2 ensureCapacityInternal(size + 1);`：判断一下当前的数组容量是不是满了，如果满了会进行扩容；

if (minCapacity - elementData.length > 0)
                grow(minCapacity);
    复制代码

1).第一次进入这个方法时，`minCapacity=10`，默认值，而此时底层还是个空数组，自然会进行数组的扩容。扩容代码如下：

private void grow(int minCapacity) {
            // overflow-conscious code
            int oldCapacity = elementData.length;
            int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
            if (newCapacity - minCapacity < 0)
                newCapacity = minCapacity;
            if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
                newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
            // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
        }
    复制代码

通过计算，确认本次数组增加的容量就是默认大小10，然后通过`Arrays.copyOf`进行数组的数据拷贝和创建新数组。

`#3 elementData[size++] = e;`，就是将添加数据数据放到index=0的位置上，并且size+1；

2).然后就返回添加成功了。

数组的变化：

`size=0，elementData={}`变成了`size=1，elementData=["老婆，早上好"]`

依次执行三次,就完成今天的sayLove日常了。

(4).set(index,E)方法

> 一起起床是静好，一起吃早饭是喂饱。

sayLove.set(0,"老婆，早上好,我们一起吃早饭吧");
    复制代码

分析如下：

public E set(int index, E element) {
        rangeCheck(index);
        E oldValue = elementData(index);
        elementData[index] = element;
        return oldValue;
    }
    复制代码

`#2 rangeCheck(index);`：还记得我们那些年学Java的青葱岁月吗？都得喊一嗓子：角标越界，错误就在这里了，熟悉的异常，值得的青葱岁月。

if (index >= size)
        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
    复制代码

`#3 E oldValue = elementData(index);`：操作很简单，返回原来位置上的值，将新值插入想插入的位置，并返回旧值。

> 就像老婆说，你去换下饮水机的水，换上新桶，拿下旧桶。

E oldValue = elementData(index);
        elementData[index] = element;
        return oldValue;
    复制代码

(5).add(index,E)方法

> 牵挂是一根线，每天想的是可以把你栓在身上。

sayLove.add(2,"老婆，注意坐姿，不要久坐哦");
    复制代码

分析如下：

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++;
        }
    复制代码

`#2,#4,`还是熟悉的检查角标是否越界以及检查容量是否已满。

`#5,`调用native方法`System.arraycopy`，进行数组中元素的移位，参数如下所示：

`index=2,size=3;`

System.arraycopy(elementData, 新增的角标位=2, elementData, 往后移动的起始角标位=3,
                     要往后移动的个数=1);
    复制代码

> elementeData这个数组，从第2位开始（第3个元素），拷贝1个元素，到elementData这个数组（还是原来的这个数组），从第3位开始（第4个元素开始）。

`#5,#6`,插入新值到指定位置，size+1。

完成指定位置插入数据的操作。

(6).remove(index)方法

> 程序猿说我下班了，绝对是违背了山盟海誓里说的，“我绝对不会骗你”。

sayLove.remove(2);//加班，所以，不能去找媳妇了。撤回 “老婆，下班啦，我去找你” 这句话。
    复制代码

分析如下：

public E remove(int index) {
        rangeCheck(index);
    
        modCount++;
        E oldValue = elementData(index);
    
        int numMoved = size - index - 1;
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,numMoved);
        elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
        return oldValue;
        }
    复制代码

`#7 int numMoved = size - index - 1;`：numoved=4-2-1=1,要移动的个数，当前大于0，调用native方法，进行数组元素移动，`System.arraycopy(elementData, 3, elementData, 2,1);`,从当前数组的index=3位置，共一个元素，从index=2位置开始拷贝。

> 把elementData数组中，从index =3开始的元素，一共有1个元素，拷贝到elementData数组中（原来的数组里），从index = 2开始，进行拷贝。

说到底，就是删除位置后的所有元素都往前移位，然后将最后位置上的元素设置为null。so easy。

### 2.谈谈LinkedList ###

#### 1.基本原理 ####

底层是基于链表来实现的。

**01.基本原理：**

> LinkedList，链表，一个节点挂着另外一个节点。LinkedList是基于双向链表实现的。
> 
> ![format_png][]

02.优点：

> 往这个里面中间插入一些元素，或者不停的往list里插入元素，都没关系，因为人家是链表，中间插入元素，不需要跟ArrayList数组那样子，挪动大量的元素的，不需要，人家直接在链表里加一个节点就可以了。
> 
> 如果你不断的往LinkedList中插入一些元素，大量的插入，就不需要像ArrayList数组那样还要去扩容啊什么的，人家是一个链表，就是不断的把新的节点挂到链表上就可以了。
> 
> LinkedList的优点，**就是非常适合各种元素频繁的插入里面去。**

**03.缺点：**

> 不太适合在随机的位置，获取某个随机的位置的元素，比如LinkedList.get(10)，这种操作，性能就很低，因为他需要遍历这个链表，从头开始遍历这个链表，直到找到index = 10的这个元素为止。

**04.常用场景：**

> 适合，频繁的在list中插入和删除某个元素，然后尤其是LinkedList他其实是可以当做队列来用的，这个东西的话呢，我们后面看源码的时候，可以来看一下，先进先出，在list尾部怼进去一个元素，从头部拿出来一个元素。如果要在内存里实现一个基本的队列的话，可以用LinkedList。

**05.场景示例：**

> 系统开发中，凡是用到了内存队列，用LinkedList，他里面基于链表实现，天然就可以做队列的数据结构，先进先出，链表来实现，特别适合频繁的在里面插入元素什么的，也不会导致数组扩容。

#### 2.源码剖析 ####

01.插入元素

在尾部插入元素、在头部插入元素、在中间插入元素

add()，默认就是在队列的尾部插入一个元素，在那个双向链表的尾部插入一个元素

add(index, element)，是在队列的中间插入一个元素

addFirst()，在队列的头部插入一个元素

addLast()，跟add()方法是一样的，也是在尾部插入一个元素

(1).示例代码：

public static void main(String[] args) {
        LinkedList<String> housework=new LinkedList<String>();
        housework.add("洗菜");
        housework.add("切肉");
        housework.add("炒菜");
        housework.add(1,"给老婆倒杯水");
        }
    复制代码

(2).add(E)方法

> 家务活要一件件做，幸福要一天天过。

分析如下：

public boolean add(E e) {
            linkLast(e);
            return true;
        }
    复制代码

`#2 linkLast(e);`：将元素直接插入到队尾代码如下：

void linkLast(E e) {
            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++;
        }
    复制代码

1). `#2~#4`： 第一次last肯定是null，创建了一个Node节点，对象结构`Node<preNode,元素,next节点>`；并且该节点赋值给了last变量。

2). `#5~#8`： 第一次last节点是null，所以first节点也被赋值成创建的node节点。而如果是第二次进行add操作的话，就是会将新的Node节点挂在到前一个Node节点的next节点上去。

3).size+1，操作成功。

(3).add(index,E)方法

> 老婆的事情永远可以插队，优先级No.1

housework.add(1,"给老婆倒杯水");
    复制代码

分析如下：

public void add(int index, E element) {
            checkPositionIndex(index);
    
            if (index == size)
                linkLast(element);
            else
                linkBefore(element, node(index));
        }
    复制代码

`#2 checkPositionIndex(index);`：对于指定位置的插入数据，我们都是需要进行角标是否越界的检查的；

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

`#4-#7`：如果正好是最后一个位置，就直接插入到队尾；

如果不是，就要进行指定位置的插入，这里走的是这个分支。

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++;
        }
    复制代码

1).先根据index获取到之前位置的node；

2).`#3~#5`: 1. 新创建一个Node，新Node的pre节点设置为原Node节点的pre节点，next节点设置为原node节点。

1.  将原来的Node节点的pre节点设置为新Node节点。

2).`#6~#9`：如果原节点的pre节点是null，就把新Node节点设置为first节点；

否则就是将原Node节点的next节点设置为新创建Node节点。

3).size+1，然后就返回添加成功了。

> 绕来绕去，其实就像我准备栓老婆的绳子不够长了，我就把绳子剪开，然后呢，拿一节新绳子，接上前半截绳子的头，再接上后半截绳子的，打好俩个结，ok，绳子升级成功。爱情的绳子拉长啦。

02.获取元素

(1).get(index)方法

> 经常翻看照片，一张张翻过的是，回忆的幸福，二哈的自己和气质的媳妇。

示例代码：

public static void main(String[] args) {
            LinkedList<String> loveStory=new LinkedList<String>();
            loveStory.add("看电影");
            loveStory.add("去野餐");
            loveStory.add("摩天轮");
            loveStory.add("去海边");
            loveStory.get(2);
        }
    复制代码

我们来分析这一行代码：

loveStory.get(2);
    复制代码

分析如下：

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

`#2 checkElementIndex;`：角标是否越界的检查。

private boolean isElementIndex(int index) {
            return index >= 0 && index < size;
        }
    复制代码

`#3 node(index);`：这里就极为关键了，LinkedList底层是如何遍历查找指定位置的元素呢？来看如下分析：

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;
            }
        }
    复制代码

`#4~#6`：

1).size/2,取了中间数，然后判断我们要找的位置是在中间数的前部分还是后部分。

如果是前半部分就从first节点开始往后查找，

如果是后半部分，就从last节点开始往前查找，有点二分法查找的感觉。

2).我们这里index=2, 2>2不成立，走else分支，然后，我们可以看到他通过一个for循环进行遍历，从最后一个节点开始，每次都查找Node节点的prev节点，直到index+1的位置时，就跳出循环了，而index+1节点的prev节点不正是我们要获取的index节点么？完美！

03.删除元素

(1).get(index)方法

> 既然是二哈属性，总有惹媳妇生气的时候，不好的回忆还是适当删除吧！

示例代码：

public static void main(String[] args) {
            LinkedList<String> loveStory=new LinkedList<String>();
            loveStory.add("看电影");
            loveStory.add("去野餐");
            loveStory.add("摩天轮");
            loveStory.add("惹老婆生气");
            loveStory.add("去海边");
            loveStory.get(2);
        }
    复制代码

我们来分析这一行代码：

loveStory.remove(2);
    复制代码

分析如下：

public E remove(int index) {
            checkElementIndex(index);
            return unlink(node(index));
        }
    复制代码

`#2 checkElementIndex;`：角标是否越界的检查。

private boolean isElementIndex(int index) {
            return index >= 0 && index < size;
        }
    复制代码

`#3 unlink(node(index));`：先遍历找到index对应的Node节点，然后进行删除工作。

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;
        }
    复制代码

`#3~#5`：获取index对应的Node节点的prev节点和next节点；

`#7~#12`：如果prev节点为null，就把Node节点的next节点设置为first节点；

否则就将prev节点的next节点设置为Node节点的next节点。

`#14~#19`：如果next节点为null，就把Node节点的prev节点设置为last节点；

否则就将next节点的prev节点设置为Node节点的prev节点。

`#21~#24`：将node节点的值设置为null，size-1，最终返回原来Node的元素值。

> 还记得前文说的爱情绳子理论吧，这里我们只要是换成缩短绳子，剪开，接上的过程就是删除指定位置Node的过程。
> 
> 如果生活有烦恼，就把烦恼给删掉，把生活接上去继续幸福。

### 3).对比总结 ###

> （1）ArrayList：一般场景，都是用ArrayList来代表一个集合，不适合频繁的往里面插入和灌入大量的元素遍历，或者随机查，性能都很好。
> 
> （2）LinkedList：适合，频繁的在list中插入和删除某个元素，然后尤其是LinkedList他其实是可以当做队列来用的，先进先出，在list尾部怼进去一个元素，从头部拿出来一个元素。在内存里实现一个基本的队列的话，可以用LinkedList。

> 生活中的美好，从一行代码的运行开始，从朝夕相伴的爱情开始。

最后谢谢大家阅读，有不足之处欢迎指出。

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