【Java】ArrayList和LinkedList使用不当，性能差距会如此之大！

前言

在面试的时候，经常会被问到几个问题：

• ArrayList和LinkedList的区别，相信大部分朋友都能回答上：

  • ArrayList是基于数组实现，LinkedList是基于链表实现
  • 当随机访问List时，ArrayList比LinkedList的效率更高，等等

• 当被问到ArrayList和LinkedList的使用场景是什么时，大部分朋友的答案可能是：

  • ArrayList和LinkedList在新增、删除元素时，LinkedList的效率要高于 ArrayList，而在遍历的时候，ArrayList的效率要高于LinkedList

那这个回答是否准确呢？今天我们就来研究研究！
从源码角度解析ArrayList.subList的几个坑
我们先来简单介绍下ArrayList和LinkedList的原理实现！

源码分析

ArrayList

实现类

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable

ArrayList实现了List接口，继承了AbstractList抽象类，底层是数组实现的，并且实现了自增扩容数组大小。

ArrayList还实现了Cloneable接口和Serializable接口，所以他可以实现克隆和序列化。

ArrayList还实现了RandomAccess接口，这个接口是一个标志接口，他标志着“只要实现该接口的List类，都能实现快速随机访问”。

基本属性

ArrayList属性主要由数组长度size、对象数组elementData、初始化容量default_capacity等组成， 其中初始化容量默认大小为10。

//默认初始化容量
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
//对象数组
transient Object[] elementData; 
//数组长度
private int size;

从ArrayList属性来看，elementData被关键字transient修饰了，transient关键字修饰该字段则表示该属性不会被序列化。

但ArrayList其实是实现了序列化接口，这是为什么呢？

由于ArrayList的数组是基于动态扩增的，所以并不是所有被分配的内存空间都存储了数据。
如果采用外部序列化法实现数组的序列化，会序列化整个数组，ArrayList为了避免这些没有存储数据的内存空间被序列化，内部提供了两个私有方法writeObject以及readObject来自我完成序列化与反序列化，从而在序列化与反序列化数组时节省了空间和时间。
因此使用transient修饰数组，是防止对象数组被其他外部方法序列化。
ArrayList自定义序列化方法如下：

初始化

有三种初始化办法：无参数直接初始化、指定大小初始化、指定初始数据初始化，源码如下：

当ArrayList新增元素时，如果所存储的元素已经超过其已有大小，它会计算元素大小后再进行动态扩容，数组的扩容会导致整个数组进行一次内存复制。

因此，我们在初始化ArrayList时，可以通过第一个构造函数合理指定数组初始大小，这样有助于减少数组的扩容次数，从而提高系统性能。

注意点：

ArrayList 无参构造器初始化时，默认大小是空数组，并不是大家常说的 10，10 是在第一次 add 的时候扩容的数组值。

新增元素

ArrayList新增元素的方法有两种，一种是直接将元素加到数组的末尾，另外一种是添加元素到任意位置。

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

两个方法的相同之处是在添加元素之前，都会先确认容量大小，如果容量够大，就不用进行扩容；如果容量不够大，就会按照原来数组的1.5倍大小进行扩容，在扩容之后需要将数组复制到新分配的内存地址。
下面是具体的源码：

这两个方法也有不同之处，添加元素到任意位置，会导致在该位置后的所有元素都需要重新排列，而将元素添加到数组的末尾，在没有发生扩容的前提下，是不会有元素复制排序过程的。

所以ArrayList在大量新增元素的场景下效率不一定就很慢的

如果我们在初始化时就比较清楚存储数据的大小，就可以在ArrayList初始化时指定数组容量大小，并且在添加元素时，只在数组末尾添加元素，那么ArrayList在大量新增元素的场景下，性能并不会变差，反而比其他List集合的性能要好。

删除元素

ArrayList 删除元素有很多种方式，比如根据数组索引删除、根据值删除或批量删除等等，原理和思路都差不多。
ArrayList在每一次有效的删除元素操作之后，都要进行数组的重组，并且删除的元素位置越靠前，数组重组的开销就越大。
我们选取根据值删除方式来进行源码说明：

遍历元素

由于ArrayList是基于数组实现的，所以在获取元素的时候是非常快捷的。

public E get(int index) {
    
    
        rangeCheck(index);
​
        return elementData(index);
    }
​
    E elementData(int index) {
    
    
        return (E) elementData[index];
    }

LinkedList

LinkedList是基于双向链表数据结构实现的。
这个双向链表结构，链表中的每个节点都可以向前或者向后追溯，有几个概念如下：

• 链表每个节点我们叫做 Node，Node 有 prev 属性，代表前一个节点的位置，next 属性，代表后一个节点的位置；
• first 是双向链表的头节点，它的前一个节点是 null。
• last 是双向链表的尾节点，它的后一个节点是 null；
  当链表中没有数据时，first 和 last 是同一个节点，前后指向都是 null；
• 因为是个双向链表，只要机器内存足够强大，是没有大小限制的。

Node结构中包含了3个部分：元素内容item、前指针prev以及后指针next，代码如下。

private static class Node<E> {
    
    
    E item;// 节点值
    Node<E> next; // 指向的下一个节点
    Node<E> prev; // 指向的前一个节点
​
    // 初始化参数顺序分别是：前一个节点、本身节点值、后一个节点
    Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
    
    
        this.item = element;
        this.next = next;
        this.prev = prev;
    }
}

LinkedList就是由Node结构对象连接而成的一个双向链表。

实现类

LinkedList类实现了List接口、Deque接口，同时继承了AbstractSequentialList抽象类，LinkedList既实现了List类型又有Queue类型的特点；LinkedList也实现了Cloneable和Serializable接口，同ArrayList一样，可以实现克隆和序列化。
由于LinkedList存储数据的内存地址是不连续的，而是通过指针来定位不连续地址，因此，LinkedList不支持随机快速访问，LinkedList也就不能实现RandomAccess接口。

public class LinkedList
    extends AbstractSequentialList
    implements List, Deque, Cloneable, java.io.Serializable

基本属性

transient int size = 0;
transient Node first;
transient Node last;

我们可以看到这三个属性都被transient修饰了，原因很简单，我们在序列化的时候不会只对头尾进行序列化，所以LinkedList也是自行实现readObject和writeObject进行序列化与反序列化。
下面是LinkedList自定义序列化的方法。

节点查询

链表查询某一个节点是比较慢的，需要挨个循环查找才行，我们看看 LinkedList 的源码是如何寻找节点的：

LinkedList 并没有采用从头循环到尾的做法，而是采取了简单二分法，首先看看 index 是在链表的前半部分，还是后半部分。
如果是前半部分，就从头开始寻找，反之亦然。通过这种方式，使循环的次数至少降低了一半，提高了查找的性能。

新增元素

LinkedList添加元素的实现很简洁，但添加的方式却有很多种。
默认的add (Ee)方法是将添加的元素加到队尾，首先是将last元素置换到临时变量中，生成一个新的Node节点对象，然后将last引用指向新节点对象，之前的last对象的前指针指向新节点对象。

LinkedList也有添加元素到任意位置的方法，如果我们是将元素添加到任意两个元素的中间位置，添加元素操作只会改变前后元素的前后指针，指针将会指向添加的新元素，所以相比ArrayList的添加操作来说，LinkedList的性能优势明显。

删除元素

在LinkedList删除元素的操作中，我们首先要通过循环找到要删除的元素，如果要删除的位置处于List的前半段，就从前往后找；若其位置处于后半段，就从后往前找。
这样做的话，无论要删除较为靠前或较为靠后的元素都是非常高效的，但如果List拥有大量元素，移除的元素又在List的中间段，那效率相对来说会很低。

遍历元素

LinkedList的获取元素操作实现跟LinkedList的删除元素操作基本类似，通过分前后半段来循环查找到对应的元素，但是通过这种方式来查询元素是非常低效的，特别是在for循环遍历的情况下，每一次循环都会去遍历半个List。
所以在LinkedList循环遍历时，我们可以使用iterator方式迭代循环，直接拿到我们的元素，而不需要通过循环查找List。
分析测试
新增元素操作性能测试
测试用例源代码：

ArrayList：paste.ubuntu.com/p/gktBvjgMG…
LinkedList：paste.ubuntu.com/p/3jQrY2XMP…

分析测试

测试结果

操作花费时间从集合头部位置添加元素（ArrayList）550从集合头部位置添加元素（LinkedList）34从集合中间位置位置添加元素（ArrayList）32从集合中间位置位置添加元素（LinkedList）58746从集合尾部位置添加元素（ArrayList）29从集合尾部位置添加元素（LinkedList）31
通过这组测试，我们可以知道LinkedList添加元素的效率未必要高于ArrayList。

从集合头部位置添加元素

由于ArrayList是数组实现的，在添加元素到数组头部的时候，需要对头部以后的数据进行复制重排，所以效率很低；
LinkedList是基于链表实现，在添加元素的时候，首先会通过循环查找到添加元素的位置，如果要添加的位置处于List的前半段，就从前往后找；若其位置处于后半段，就从后往前找，因此LinkedList添加元素到头部是非常高效的。

从集合中间位置位置添加元素

ArrayList在添加元素到数组中间时，同样有部分数据需要复制重排，效率也不是很高；
LinkedList将元素添加到中间位置，是添加元素最低效率的，因为靠近中间位置，在添加元素之前的循环查找是遍历元素最多的操作。

从集合尾部位置添加元素

而在添加元素到尾部的操作中，在没有扩容的情况下，ArrayList的效率要高于LinkedList。
这是因为ArrayList在添加元素到尾部的时候，不需要复制重排数据，效率非常高。
LinkedList虽然也不用循环查找元素，但LinkedList中多了new对象以及变换指针指向对象的过程，所以效率要低于ArrayList。

注意：这是排除动态扩容数组容量的情况下进行的测试，如果有动态扩容的情况，ArrayList的效率也会降低。

删除元素操作性能测试
ArrayList和LinkedList删除元素操作测试的结果和添加元素操作测试的结果很接近！
结论： 如果需要在List的头部进行大量的插入、删除操作，那么直接选择LinkedList。否则，ArrayList即可。
遍历元素操作性能测试
测试用例源代码：

测试结果：

操作花费时间for循环（ArrayList）3for循环（LinkedList）17557迭代器循环（ArrayList）4迭代器循环（LinkedList）4
我们可以看到，LinkedList的for循环性能是最差的，而ArrayList的for循环性能是最好的。
这是因为LinkedList基于链表实现的，在使用for循环的时候，每一次for循环都会去遍历半个List，所以严重影响了遍历的效率；ArrayList则是基于数组实现的，并且实现了RandomAccess接口标志，意味着ArrayList可以实现快速随机访问，所以for循环效率非常高。
LinkedList的迭代循环遍历和ArrayList的迭代循环遍历性能相当，也不会太差，所以在遍历LinkedList时，我们要切忌使用for循环遍历。