ArrayList相对于数组与链表使用的优点与开发过程中的缺点

「爱情、让人受尽委屈。」 2024-03-23 17:58 57阅读 0赞

## ArrayList相对于数组与链表使用的优点与开发过程中的缺点 ##

### 优点：ArrayList相对于数组和链表的好处 ###

ArrayList 是 Java 集合框架中的一个动态数组实现，它提供了一些优势使其在许多场景下比数组和链表更有用。以下是使用 ArrayList 相对于数组和链表的一些好处：

#### 1. 动态调整大小 ####

ArrayList 可以根据需要自动扩展或缩小其容量，而无需手动管理大小。相比之下，数组在创建时需要指定大小，并且无法动态调整大小，而链表则需要更多的内存来存储节点引用。

ArrayList<String> list = new ArrayList<>(); // 初始化一个空的 ArrayList
    
    list.add("Apple"); // 添加元素
    list.add("Banana");
    list.add("Orange");
    
    System.out.println(list.size()); // 输出：3
    
    // 可以自由添加、删除元素，ArrayList 会根据需要调整容量大小

#### 2. 快速随机访问 ####

与链表不同，ArrayList 允许通过索引快速访问元素，因为它基于数组实现。这意味着可以使用索引来直接访问列表中的任何元素，而不需要遍历整个列表。

ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
    list.add("Apple");
    list.add("Banana");
    list.add("Orange");
    
    String fruit = list.get(1); // 获取索引为1的元素
    System.out.println(fruit); // 输出：Banana
    
    // 在时间复杂度为 O(1) 的情况下，可以快速访问元素

#### 3. 内存效率 ####

相对于链表，ArrayList 在存储相同数量的元素时通常更节约内存。链表需要为每个节点存储额外的指针信息，而 ArrayList 只需存储连续的数据块。

#### 4. 数组操作和列表操作的兼具优势 ####

作为数组的实现，ArrayList 具有传统数组的许多特性，例如可以使用 `length` 属性获取大小，使用 `Arrays.sort()` 进行排序等。它同时还具有 List 接口的功能，如 `add()`、`remove()` 和 `contains()` 等方法。

ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
    list.add("Apple");
    list.add("Banana");
    list.remove("Banana"); // 移除元素
    
    System.out.println(list.size()); // 输出：1
    
    // 所以利用 ArrayList 可以同时享受到数组和列表的优点

### 潜在问题：ArrayList可能遇到的问题 ###

#### 1. 扩容带来的性能开销 ####

当 ArrayList 需要扩容时，会创建新的数组，并将旧数组中的元素复制到新数组中。这个过程可能导致一定的性能开销，特别是在需要添加大量元素时。

考虑以下示例：

ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>(10); // 初始容量为10
    
    for (int i = 0; i < 20; i++) {
        
        list.add(i);
    }
    
    System.out.println(list.size()); // 输出：20

在以上代码中，初始容量设置为10的 ArrayList 需要添加20个元素。由于初始容量不足，就会触发扩容操作。ArrayList 的扩容机制通常会使用新的容量大小为 `(oldCapacity * 3) / 2 + 1` 来创建一个新的数组，并将所有元素从旧数组复制到新数组中。

因此，在上述示例中，扩容发生了一次，旧数组大小为10，新数组大小为 `(10 * 3) / 2 + 1 = 16`。系统会将10个元素从旧数组复制到新数组中，并添加剩余的10个新元素。如果我们忽略复制数组的时间消耗，从添加元素的角度来看，最终完成了20个添加操作。

可见，当 ArrayList 需要频繁地扩容时，会有一定的性能开销。为了避免频繁的扩容操作，可以在创建 ArrayList 实例时指定一个合适的初始容量。

#### 2. 插入和删除元素的效率 ####

在 ArrayList 中间插入或删除元素实现起来相对复杂，它需要将其他元素向后移动或向前移动，以保持连续性。这可能导致较高的时间复杂度。

我们来看一个具体示例：

ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
    list.add("Apple");
    list.add("Banana");
    list.add("Orange");
    
    list.add(1, "Mango"); // 在索引为1的位置插入元素
    
    System.out.println(list);

输出结果为：`[Apple, Mango, Banana, Orange]`。

在上面的示例中，我们在索引为1的位置插入了一个新的元素，即 `"Mango"`。这个操作导致原来位于该位置及其之后的所有元素都需要向后移动一个位置，让出空间给新元素。

因此，当需要频繁插入或删除元素，并且需要保持元素顺序的情况下，ArrayList 可能比链表（LinkedList）效率低。链表数据结构则更适合在任意位置进行插入和删除操作。

#### 3. 非线程安全 ####

ArrayList 的设计不是线程安全的。如果多个线程同时修改 ArrayList（例如同时添加或删除元素），可能导致数据不一致的问题。

考虑以下示例代码：

ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
    list.add("Apple");
    list.add("Banana");
    
    Runnable runnable = () -> {
        
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        
            list.add("Orange");
        }
    };
    
    Thread thread1 = new Thread(runnable);
    Thread thread2 = new Thread(runnable);
    
    thread1.start();
    thread2.start();
    
    try {
        
        thread1.join();
        thread2.join();
    } catch (InterruptedException e) {
        
        e.printStackTrace();
    }
    
    System.out.println(list.size());

在上述示例中，我们创建了两个线程，它们同时向 ArrayList 中添加 “Orange” 元素。这种并发操作可能导致不一致的结果。

为了确保多线程环境下的线程安全性，可以使用 `Collections.synchronizedList(List<T> list)` 方法装饰 ArrayList，或者使用线程安全的替代类，如 `CopyOnWriteArrayList`。

#### 4. 自动装箱和拆箱 ####

在 ArrayList 中存储基本数据类型（例如 int、double 等）时，Java 会自动进行装箱和拆箱操作。这意味着原始数据类型将被包装为对应的对象类型，并且当需要将对象类型转换回原始数据类型时，会进行拆箱操作。自动装箱和拆箱过程中涉及不必要的对象创建和销毁，可能导致一些性能开销和额外的内存消耗。

考虑以下示例：

ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();
    for (int i = 1; i <= 1000000; i++) {
        
        list.add(i);
    }

在以上示例中，我们向 ArrayList 中添加了100万个整数。由于 `Integer` 是一个对象类型，因此会进行自动装箱操作。这意味着每个整数都被包装为一个 `Integer` 对象，并存储在 ArrayList 中。

如果对性能要求较高或内存有限，可能需要考虑使用原始数据类型的数组（int\[\]、double\[\] 等），以避免自动装箱和拆箱带来的额外开销。

综上所述，在使用 ArrayList 时，我们必须注意类似于扩容开销、插入/删除元素效率、线程安全和自动装箱/拆箱带来的问题，对于特定的需求，我们可以根据具体场景选择合适的数据结构和优化策略。