一篇文章搞定ArrayList和LinkedList所有面试问题

作者:大菜鸟
出处:https://mp.weixin.qq.com/s/_tH2PZOA00hl0vgPpB7Bgw


在面试中经常碰到:ArrayList和LinkedList的特点和区别?

个人认为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

本文也是按照上面这几部分组织的。

ArrayList的源码解析

成员属性源码解析

public class ArrayList<E> 
    extends AbstractList<E>
    implements List<E>, RandomAccess
    ,Cloneable, java.io.Serializable {
    private static final long 
       serialVersionUID 
       = 8683452581122892189L;

    //默认容量是10
    private static final int 
             DEFAULT_CAPACITY = 10;

    //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 = {};

接上面

/*
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点
*/
private static final Object[] 
DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA={};

//ArrayList底层使用Object数组保存的元素
transient Object[] elementData; 

//记录当前容器中有多少元素
private int size;

构造器源码解析

/*
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) {
       //初始化保存数据的Object数组
        this.elementData
        =new Object[initialCapacity];
    } else if(initialCapacity==0) {
      //标识容量为0:EMPTY_ELEMENTDATA
        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(默认容量是10)的Object
数组,而是采取懒加载的策略:使用
DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA,
这个默认数组的容量是0,所以得区分是
默认容量,还是你传给构造器的容量参数大小
本身就是0。在真正执行add操作时才会创建
Object数组,即在扩容函数中有处理默认容量
的逻辑,后面会有详细分析。
*/
    public ArrayList() {
        //这个赋值操作仅仅是标识作用
       this.elementData = 
     DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }

   //省略一部分不常用代码函数

add方法源码解析

/*
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ArrayList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有failfast机制
容器的时候,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。
*/  
   //进入该函数
    add(e, elementData, size);
    return true;
}

private void add(E e,Object[] elementData
                , int s) {
    /*
    如果使用无参构造器:开始时length为0,
    s也为0.grow()核心函数,扩容/初始化操作
    */
    if (s == elementData.length)
        elementData = grow();
    elementData[s] = e;
    size = s + 1;
}

grow相关方法源码解析

private Object[] grow() {
    //继续追踪
    return grow(size + 1);
}

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
  操作
    */
    //进入newCapacity()函数
    return elementData = 
    Arrays.copyOf(elementData,
          newCapacity(minCapacity));
}

//返回的是扩容后数组的长度
private int newCapacity(int minCapacity){
    int oldCapacity=elementData.length;
    //扩容后的容量为原来容量的1.5倍
    int newCapacity = oldCapacity 
            + (oldCapacity >> 1);
    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();

        //返回新容量
        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;
}

ArrayList的failfast机制

//最后看下ArrayList的failFast机制
private class Itr implements 
                Iterator<E>{
    //index of next element to return
    int cursor;      
    // index of last element returned;  
    int lastRet = -1; -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
    大小时会自增加1
    */
    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,比如: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

成员属性源码分析

public class LinkedList<E>
    extends AbstractSequentialList<E>
    implements List<E>, Deque<E>
    ,Cloneable, java.io.Serializable {
  MAX_ARRAY_SIZE=Integer.MAX_VALUE-8,
    /*
    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;

    //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

    transient Node<E> last;//尾节点
    //省略一部分无关代码

    //下面分析LinkedList内部类Node

内部类Node源码分析

private static class Node<E> {
        E item;//元素值
        Node<E> next;//后继节点

        //前驱节点,即Node是双向链表
        Node<E> prev;

        Node(Node<E> prev, E element
        , Node<E> next) {//Node的构造器
            this.item = element;
            this.next = next;
            this.prev = prev;
        }
    }

构造器源码分析

//LinkedList无参构造器:什么都没做
public LinkedList() {}

其他核心辅助接口方法源码分析

/*
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
*/
//1.往链表头部插入元素
private void linkFirst(E e) {
    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
}

  //2.往链表尾部插入元素
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++;//failFast机制
}

//3.在指定节点(succ)的前面插入一个节点
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++;//failFast机制
}

//4.删除链表的头结点
private E unlinkFirst(Node<E> f){
    //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;
}

//5.删除除链表的尾节点
private E unlinkLast(Node<E> l) {
    //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;
}

//6.删除除链表中的指定节点
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++;//failFast机制
        return element;
    }

常用API源码分析

//LinkedList常用接口的实现 public E removeFirst() {
    final Node<E> f = first;
    if (f == null)
        throw 
        new NoSuchElementException();
    //调用 4.删除链表的头结点 实现
        return unlinkFirst(f);
  }

public E removeLast() {
    final Node<E> l = last;
    if (l == null)
        throw 
        new NoSuchElementException();
     //调用 5.删除除链表的尾节点 实现
         return unlinkLast(l);
    }

   public void addFirst(E e) {
       //调用 1.往链表头部插入元素 实现
       linkFirst(e);
    }

   public void addLast(E e) {
       //调用 2.往链表尾部插入元素 实现
       linkLast(e);
}

public boolean add(E e) {
    //调用 2.往链表尾部插入元素 实现
    linkLast(e);
    return true;
    }

public boolean remove(Object o) {
    if (o == null) {
        for (Node<E> x = first;
         x != null; x = x.next) {
            if (x.item == null) {
         //调用 6.删除除链表中的
         //指定节点 实现
                unlink(x);
                return true;
            }
        }
    } else {
        for (Node<E> x = first
        ; x != null; x = x.next) {
            if (o.equals(x.item)) {
                //调用 6.删除除链表中的
                //指定节点 实现
                unlink(x);
                return true;
            }
        }
    }
    return false;
    }

//省略其他无关函数

failfast机制

//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
    会自增加1
    */
    private int expectedModCount
                 = modCount;

    ListItr(int 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六个函数实现的,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LinkedList还实现了Deque接口。
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