Java 集合系列 07 List总结(LinkedList, ArrayList等使用场景和性能分析)

java 集合系列目录：

Java 集合系列 01 总体框架

Java 集合系列 02 Collection架构

Java 集合系列 03 ArrayList详细介绍(源码解析)和使用示例

Java 集合系列 04 LinkedList详细介绍(源码解析)和使用示例

Java 集合系列 05 Vector详细介绍(源码解析)和使用示例

Java 集合系列 06 Stack详细介绍(源码解析)和使用示例

Java 集合系列 07 List总结(LinkedList, ArrayList等使用场景和性能分析)

Java 集合系列 08 Map架构

Java 集合系列 09 HashMap详细介绍(源码解析)和使用示例

Java 集合系列 10 Hashtable详细介绍(源码解析)和使用示例

Java 集合系列 11 hashmap 和 hashtable 的区别

Java 集合系列 12 TreeMap

Java 集合系列 13 WeakHashMap

Java 集合系列 14 hashCode

Java 集合系列 15 Map总结

Java 集合系列 16 HashSet

Java 集合系列 17 TreeSet

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

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，验证上面的(01)和(02)结论。参考代码如下：

 /**
  * 对比ArrayList和LinkedList的插入、随机读取效率、删除的效率
  *
  * @ClassName: List_test_1
  * @author Xingle
  * @date 2014-5-29 下午5:25:11
  */
 public class List_test_1 {
     private static int COUNT_ = 100000;

     private static LinkedList<Integer> linkedList = new LinkedList<Integer>();
     private static ArrayList<Integer> arraylist = new ArrayList<Integer>();
     private static Vector<Integer> vector = new Vector<Integer>();
     private static Stack<Integer> stack = new Stack<Integer>();

     public static void main(String[] args) {
         // 插入
         insertByPosition(stack);
         insertByPosition(linkedList);
         insertByPosition(arraylist);
         insertByPosition(vector);

         // 读取
         readByPosition(stack);
         readByPosition(linkedList);
         readByPosition(arraylist);
         readByPosition(vector);

         // 删除
         deleteByPosition(stack);
         deleteByPosition(linkedList);
         deleteByPosition(arraylist);
         deleteByPosition(vector);

     }

     /**
      * 从list的指定位置删除COUNT个元素，并统计时间
      *
      * @author xingle
      * @data 2014-5-29 下午5:33:55
      */
     private static void deleteByPosition(List<Integer> list) {
         long start = getCurrentTime();
         for (int i = 0; i < COUNT_; i++) {
             list.remove(0);
         }
         long end = getCurrentTime();
         long interval = end - start;
         System.out.println(getListName(list) + " : delete " + COUNT_
                 + " delete "+COUNT_+" elements from the 1st position use time：" + interval
                 + " ms");

     }

     /**
      * 根据position，从list中读取元素，并统计时间
      *
      * @param list
      * @author xingle
      * @data 2014-5-29 下午5:32:58
      */
     private static void readByPosition(List<Integer> list) {
         long start = getCurrentTime();
         for (int i = 0; i < COUNT_; i++) {
             list.get(i);
         }
         long end = getCurrentTime();
         long interval = end - start;
         System.out.println(getListName(list) + " : read " + COUNT_
                 + " elements by position use time：" + interval
                 + " ms");

     }

     /**
      * 向list的指定位置插入COUNT个元素，并统计时间
      *
      * @param list
      * @author xingle
      * @data 2014-5-29 下午5:32:16
      */
     private static void insertByPosition(List<Integer> list) {
         long start = getCurrentTime();
         for (int i = 0; i < COUNT_; i++) {
             list.add(0, i);
         }
         long end = getCurrentTime();
         long interval = end - start;
         System.out.println(getListName(list) + " : insert " + COUNT_
                 + " elements into the 1st position use time：" + interval
                 + " ms");
     }

     /**
      * 获取list名称
      *
      * @return
      * @author xingle
      * @data 2014-5-29 下午5:38:02
      */
     private static String getListName(List<Integer> list) {
         if (list instanceof LinkedList)
             return "LinkedList";
         else if (list instanceof ArrayList)
             return "ArrayList";
         else if (list instanceof Stack)
             return "Stack";
         else if(list instanceof Vector)
             return "Vector";
         else
             return "List";
     }

     /**
      * 获取当前时间
      *
      * @return
      * @author xingle
      * @data 2014-5-29 下午5:35:33
      */
     private static long getCurrentTime() {
         return System.currentTimeMillis();
     }

 }

执行结果：

Stack : insert 100000 elements into the 1st position use time：1724 ms
LinkedList : insert 100000 elements into the 1st position use time： ms
ArrayList : insert 100000 elements into the 1st position use time：1724 ms
Vector : insert 100000 elements into the 1st position use time：1651 ms
Stack : read 100000 elements by position use time：9 ms
LinkedList : read 100000 elements by position use time： ms
ArrayList : read 100000 elements by position use time：10 ms
Vector : read 100000 elements by position use time：10 ms
Stack : delete 100000 delete 100000 elements from the 1st position use time：2674 ms
LinkedList : delete 100000 delete 100000 elements from the 1st position use time： ms
ArrayList : delete 100000 delete 100000 elements from the 1st position use time：2757 ms
Vector : delete 100000 delete 100000 elements from the 1st position use time：2087 ms

从中，我们可以发现：
插入10万个元素，LinkedList所花时间最短：31ms。
删除10万个元素，LinkedList所花时间最短：23ms。
遍历10万个元素，LinkedList所花时间最长：8969 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：

/**
     * 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!!
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                         size - index);
        elementData[index] = element;
        size++;
    }

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        if (elementData == EMPTY_ELEMENTDATA) {
            minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }

        ensureExplicitCapacity(minCapacity);
    }

    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;
        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);
    }

private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
        if (minCapacity < 0) // overflow
            throw new OutOfMemoryError();
        return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
            Integer.MAX_VALUE :
            MAX_ARRAY_SIZE;
    }

 public static <T,U> T[] copyOf(U[] original, int newLength, Class<? extends T[]> newType) {
        T[] copy = ((Object)newType == (Object)Object[].class)
            ? (T[]) new Object[newLength]
            : (T[]) Array.newInstance(newType.getComponentType(), newLength);
        System.arraycopy(original, 0, copy, 0,
                         Math.min(original.length, newLength));
        return copy;
    }

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，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

/**
     * Returns the element at the specified position in this list.
     *
     * @param index index of the element to return
     * @return the element at the specified position in this list
     * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
     */
    public E get(int index) {
        checkElementIndex(index);
        return node(index).item;
    }

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

 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;
        }
    }

从中，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

/**
     * Returns the element at the specified position in this list.
     *
     * @param  index index of the element to return
     * @return the element at the specified position in this list
     * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
     */
    public E get(int index) {
        rangeCheck(index);

        return elementData(index);
    }

// Positional Access Operations

    @SuppressWarnings("unchecked")
    E elementData(int index) {
        return (E) elementData[index];
    }

从中，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：

// 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

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

 /**
     * 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 == EMPTY_ELEMENTDATA will be expanded to
     * DEFAULT_CAPACITY when the first element is added.
     */
    private transient Object[] elementData;

Vector.java中也定义了数组elementData用于保存元素

/**
     * The array buffer into which the components of the vector are
     * stored. The capacity of the vector is the length of this array buffer,
     * and is at least large enough to contain all the vector's elements.
     *
     * <p>Any array elements following the last element in the Vector are null.
     *
     * @serial
     */
    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：

/**
     * Constructs an empty list with an initial capacity of ten.
     */
    public ArrayList() {
        super();
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
/**
     * Default initial capacity.
     */
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

Vector的默认构造函数如下：

/**
     * Constructs an empty vector so that its internal data array
     * has size {@code 10} and its standard capacity increment is
     * zero.
     */
    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：

 /**
     * 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
     * Constructs an empty list with the specified initial capacity.
     *
     * @param  initialCapacity  the initial capacity of the list
     * @throws IllegalArgumentException if the specified initial capacity
     *         is negative
     */
    public ArrayList(int initialCapacity) {
        super();
        if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                               initialCapacity);
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
    }

    /**
     * 默认构造函数
     * Constructs an empty list with an initial capacity of ten.
     */
    public ArrayList() {
        super();
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    }

    /**
     * Constructs a list containing the elements of the specified
     * collection, in the order they are returned by the collection's
     * iterator.
     *
     * @param c the collection whose elements are to be placed into this list
     * @throws NullPointerException if the specified collection is null
     */
    public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
        elementData = c.toArray();
        size = elementData.length;
        // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
        if (elementData.getClass() != Object[].class)
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
    }

Vector的构造函数如下：

/**
     * Constructs an empty vector with the specified initial capacity and
     * capacity increment.
     *
     * @param   initialCapacity     the initial capacity of the vector
     * @param   capacityIncrement   the amount by which the capacity is
     *                              increased when the vector overflows
     * @throws IllegalArgumentException if the specified initial capacity
     *         is negative
     */
    public Vector(int initialCapacity, int capacityIncrement) {
        super();
        if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                               initialCapacity);
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
        this.capacityIncrement = capacityIncrement;
    }

    /**
     * Constructs an empty vector with the specified initial capacity and
     * with its capacity increment equal to zero.
     *
     * @param   initialCapacity   the initial capacity of the vector
     * @throws IllegalArgumentException if the specified initial capacity
     *         is negative
     */
    public Vector(int initialCapacity) {
        this(initialCapacity, 0);
    }

    /**
     * Constructs an empty vector so that its internal data array
     * has size {@code 10} and its standard capacity increment is
     * zero.
     */
    public Vector() {
        this(10);
    }

    /**
     * Constructs a vector containing the elements of the specified
     * collection, in the order they are returned by the collection's
     * iterator.
     *
     * @param c the collection whose elements are to be placed into this
     *       vector
     * @throws NullPointerException if the specified collection is null
     * @since   1.2
     */
    public Vector(Collection<? extends E> c) {
        elementData = c.toArray();
        elementCount = elementData.length;
        // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
        if (elementData.getClass() != Object[].class)
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, elementCount, Object[].class);
    }

4 容量增加方式不同

逐个添加元素时，若ArrayList容量不足时，新的容量扩大1.5倍。

ArrayList中容量增长的主要函数如下：

/**
     * 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;
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);//对容量扩大1.5倍
        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);
    }

Vector中容量增长的主要函数如下：

在进行动态扩容时，Vector的新容量大小为原有容量加上capacityIncrement，如果这个数不大于0，则扩容为原始容量的2倍。

private void grow(int minCapacity) {
        // overflow-conscious code
        int oldCapacity = elementData.length;
        int newCapacity = oldCapacity + ((capacityIncrement > 0) ?
                                         capacityIncrement : oldCapacity);
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            newCapacity = minCapacity;
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }

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：

/**
     * Returns an enumeration of the components of this vector. The
     * returned {@code Enumeration} object will generate all items in
     * this vector. The first item generated is the item at index {@code 0},
     * then the item at index {@code 1}, and so on.
     *
     * @return  an enumeration of the components of this vector
     * @see     Iterator
     */
    public Enumeration<E> elements() {
        return new Enumeration<E>() {
            int count = 0;

            public boolean hasMoreElements() {
                return count < elementCount;
            }

            public E nextElement() {
                synchronized (Vector.this) {
                    if (count < elementCount) {
                        return elementData(count++);
                    }
                }
                throw new NoSuchElementException("Vector Enumeration");
            }
        };
    }

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转载：http://www.cnblogs.com/skywang12345/p/3308900.html