一、 前言
首先我要批判一下很多关于这两个数据结构的对比测试文章，其作者在根本没搞清楚这俩内部实现原理和数据结构的情况下，用错误的方法测得结果，碰巧符合理论，因此认为符合，从而误导读者。之所以这么说，还请读者细读本文，之后便明白了。
二、 数据结构
ArrayList
ArrayList在内存中是连续的、单向的、有序的。
ArrayList中维护了一个按照下标顺序的一维数组，数组中每个item指向对应的value。
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
transient Object[] elementData;
public ArrayList(int initialCapacity) {
if (initialCapacity > 0) {
this.elementData = new Object[initialCapacity];
} else if (initialCapacity == 0) {
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
} else {
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
initialCapacity);
}
}
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
当我们通过下标进行指定位置增加或者删除操作时，先由下标index从item数组找到对应item，接着从这个下标开始向后，把剩下的item通过覆盖复制，向后或者向前移动一位，最后在index位置增加一个item或者置空末尾item。
// 增加
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++;
}
// 删除
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;
}
E elementData(int index) {
return (E) elementData[index];
}
当我们通过下标进行指定位置查找或者修改操作时，先由下标index从item数组获取对应item，返回或者修改item指向的对象地址。
// 查找
public E get(int index) {
rangeCheck(index);
return elementData(index);
}
// 修改
public E set(int index, E element) {
rangeCheck(index);
E oldValue = elementData(index);
elementData[index] = element;
return oldValue;
}
E elementData(int index) {
return (E) elementData[index];
}
LinkedList
LinkedList在内存中是不连续的、双向的、有序的。
LinkedList中的每一个item，称为node，它包含三个部分：当前node的value，指向上一个node的指针prev、指向下一个node的指针next。由于LinkedList还保存了第一个node称为first和最后个node称为last，所以他还是双向的。
transient Node<E> first;
transient Node<E> last;
public LinkedList() {
}
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;
}
}
当我们通过下标进行指定位置增加或者删除操作时，会从first node开始（如果下标指向末端，则直接到末端node），不断地由node的next找到下一个node，直到到达目标node，如果是增加操作，则创建一个node，将上一个node的next指向新node的prev，将下一个node的prev指向新node的next，这样就在list中间重新连接起来；如果是删除操作，则删除当前node，将上一个node的next指向下一个node的prev。
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;
}
}
// 增加
public void add(int index, E element) {
checkPositionIndex(index);
if (index == size)
linkLast(element);
else
linkBefore(element, node(index));
}
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++;
}
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++;
}
// 删除
public E remove(int index) {
checkElementIndex(index);
return unlink(node(index));
}
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;
}
当我们通过下标进行指定位置查找或者修改操作时，会从first node或者last node（LinkedList.get(int index)方法中，会对下标值进行判断，如果小于长度的一半，则从first开始，否则从last开始，这是对双向性的利用）开始，不断地由node的next去找下一个node的地址，直到到达目标node，返回value或者修改value指向的对象地址。
// 查找
public E get(int index) {
checkElementIndex(index);
return node(index).item;
}
// 修改
public E set(int index, E element) {
checkElementIndex(index);
Node<E> x = node(index);
E oldVal = x.item;
x.item = element;
return oldVal;
}
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;
}
}
三、 效率对比
我们构造相同长度的ArrayList和LinkedList，由于增加操作会改变数组长度，导致时间增加，我们用一次增加一次删除交替进行，并分别统计二者时间。由于修改操作的实现过程基于查找操作，我们仅以查找为例。
private final static int MAX_SIZE = 1000;
private final static int TEST_TIMES = 1000;
private final static Integer DEFAULT_ITEM = 0;
private List<Integer> arrayList;
private List<Integer> linkedList;
public void init() {
arrayList = new ArrayList<>();
linkedList = new LinkedList<>();
for (int i = 0; i < MAX_SIZE; i++) {
arrayList.add(i);
linkedList.add(i);
}
}
对于增加/删除操作：
public void testAdd() {
System.out.println("\ntest add:");
long totalAddArrayList = 0;
long totalRemoveArrayList = 0;
long totalAddLinkedList = 0;
long totalRemoveLinkedList = 0;
long start, stop;
for (int i = 0; i < TEST_TIMES; i++) {
start = System.nanoTime();
arrayList.add(i, DEFAULT_ITEM);
stop = System.nanoTime();
totalAddArrayList += (stop - start);
start = System.nanoTime();
arrayList.remove(i);
stop = System.nanoTime();
totalRemoveArrayList += (stop - start);
}
System.out.println("In arrayList, add cost time: " + totalAddArrayList + " ns, remove cost time: "
+ totalRemoveArrayList + " ns");
for (int i = 0; i < TEST_TIMES; i++) {
start = System.nanoTime();
linkedList.add(i, DEFAULT_ITEM);
stop = System.nanoTime();
totalAddLinkedList += (stop - start);
start = System.nanoTime();
linkedList.remove(i);
stop = System.nanoTime();
totalRemoveLinkedList += (stop - start);
}
System.out.println("In linkedList, add cost time: " + totalAddLinkedList + " ns, remove cost time: "
+ totalRemoveLinkedList + " ns");
}
对于查找操作：
public void testFind() {
System.out.println("\ntest find:");
long start1 = System.nanoTime();
for (int i = 0; i < TEST_TIMES; i++) {
arrayList.get(i);
}
long stop1 = System.nanoTime();
System.out.println("In arrayList, cost time: " + (stop1 - start1) + " ns");
long start2 = System.nanoTime();
for (int i = 0; i < TEST_TIMES; i++) {
linkedList.get(i);
}
long stop2 = System.nanoTime();
System.out.println("In linkedList, cost time: " + (stop2 - start2) + " ns");
}
运行结果：
test add:
In arrayList, add cost time: 590724 ns, remove cost time: 635214 ns
In linkedList, add cost time: 1612482 ns, remove cost time: 1538693 ns
test find:
In arrayList, cost time: 136996 ns
In linkedList, cost time: 944334 ns
四、 结论
LinkedList的耗时由寻址时间和连接节点时间组成，连接节点时间对于任何两个位置都几乎相同（两端稍微小一点），但寻址很耗时；ArrayList的耗时由一维数组访问时间和数组拷贝时间组成，访问时间几乎可以忽略，但拷贝很耗时。
理论上：
-
对于随机增删操作：LinkedList平均效率优于ArrayList，因为LinkedList中单次连接节点的时间小于ArrayList中数组拷贝的时间。由于LinkedList的双向性，两端耗时最小，中间耗时最大；ArrayList头端耗时最大，尾端耗时最小。
-
对于随机查改操作：ArrayList平均效率优于LinkedList，因为ArrayList中访问一维数组的时间小于LinkedList中寻址的时间。由于LinkedList的双向性，两端耗时最小，中间耗时最大；ArrayList耗时从头端向尾端依次增加。
实际结果：
-
对于随机增删操作：LinkedList耗时明显大于ArrayList，不符合预期，对于这个结果，我目前没想到方法去证明，网上有别人的证明过程，但是很多都是有问题的，每次增删操作后，ArrayList长度改变了，下一次拷贝数组的时间就有误差，而LinkedList不受影响，另一种就是往固定位置插入或删除item，这也是不对的。读者可自行尝试证明这个结论，但要注意一点，每次增删操作时数组长度相同，增删操作要么具有随机性，要么就从头到尾都增删一次来计算平均时间。
-
对于随机查改操作：ArrayList耗时明显小于LinkedList，符合预期。
五、源码
