一篇文章搞定ArrayList和LinkedList所有面试问题

在面试中经常碰到:ArrayList和LinkedList的特点和区别?

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


  • ArrayList的源码分析
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
    private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;
 
    /**
     * Default initial capacity.
     */
    //默认容量是10
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
 
    /**
     * Shared empty array instance used for empty instances.
     */
    //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 = {};
 
    /**
     * Shared empty array instance used for default sized empty instances. We
     * distinguish this from EMPTY_ELEMENTDATA to know how much to inflate when
     * first element is added.
     */
    //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
    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
 
    /**
     * 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 == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
     * will be expanded to DEFAULT_CAPACITY when the first element is added.
     */
 
    //ArrayList底层使用Object数组保存的元素的
    transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
 
    /**
     * The size of the ArrayList (the number of elements it contains).
     *
     * @serial
     */
    //记录当前容器中有多少元素
    private int size;
 
    //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) {
            this.elementData = new Object[initialCapacity];
        } else if (initialCapacity == 0) {
            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的Object数组,而是采取懒加载的策略:使用DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA(实际容量为0)
//作为标识,在真正add元素时才会开辟Object数组,即在扩容函数中有处理默认容量的逻辑,后面会有分析
    public ArrayList() {
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
 
   //省略一部分不常用代码函数
 
 
   //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容器 
     //时,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
        add(e, elementData, size);
        return true;
    }
    private void add(E e, Object[] elementData, int s) {
        if (s == elementData.length)//如果使用无参构造器:开始时length为0,s也为0
            elementData = grow();//核心函数
        elementData[s] = e;
        size = s + 1;
    }
     private Object[] grow() {
        return grow(size + 1);//继续追踪
    }
    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
        //进入newCapacity()函数
        return elementData = Arrays.copyOf(elementData,
                                           newCapacity(minCapacity));
    }
     private int newCapacity(int minCapacity) {//返回的是扩容后数组的长度
        // overflow-conscious code
        int oldCapacity = elementData.length;
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);//扩容后为原来容量的1.5倍
        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();
 
            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;
    }
 
//最后看下ArrayList的failFast机制
private class Itr implements Iterator<E> {
        int cursor;       // index of next element to return
        int lastRet = -1; // index of last element returned; -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
        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: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
public class LinkedList<E>
    extends AbstractSequentialList<E>
    implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable
{
    //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;
 
    /**
     * Pointer to first node.
     */
    //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
 
    /**
     * Pointer to last node.
     */
    transient Node<E> last;//尾节点
 
 
//省略一部分无关代码,LinkedList内部类Node
private static class Node<E> {
        E item;//元素值
        Node<E> next;//后继节点
        Node<E> prev;//前驱节点,即Node是双向链表
 
        Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {//Node的构造器
            this.item = element;
            this.next = next;
            this.prev = prev;
        }
    }
 
//LinkedList无参构造器:什么都没做
public LinkedList() {}
 
//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
 
private void linkFirst(E e) {//1.往链表头部插入元素
        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
    }
 
    /**
     * Links e as last element.
     */
    void linkLast(E e) {//2.往链表尾部插入元素
        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
    }
 
    /**
     * Inserts element e before non-null Node succ.
     */
    void linkBefore(E e, Node<E> succ) {//3.在指定节点(succ)的前面插入一个节点
        // 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
    }
 
    /**
     * Unlinks non-null first node f.
     */
    private E unlinkFirst(Node<E> f) {//4.删除链表的头结点
        // 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;
    }
 
    /**
     * Unlinks non-null last node l.
     */
    private E unlinkLast(Node<E> l) {//5.删除除链表的尾节点
        // 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;
    }
 
    /**
     * Unlinks non-null node x.
     */
    E unlink(Node<E> x) {//6.删除除链表中的指定节点
        // 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;
    }
 
 
  //LinkedList常用接口的实现
  public E removeFirst() {
        final Node<E> f = first;
        if (f == null)
            throw new NoSuchElementException();
        return unlinkFirst(f);//调用  4.删除链表的头结点  实现
    }
 
    public E removeLast() {
        final Node<E> l = last;
        if (l == null)
            throw new NoSuchElementException();
        return unlinkLast(l);//调用  5.删除除链表的尾节点  实现
    }
 
   public void addFirst(E e) {
        linkFirst(e);//调用  1.往链表头部插入元素  实现
    }
 
   public void addLast(E e) {
        linkLast(e);//调用  2.往链表尾部插入元素  实现
    }
 
  public boolean add(E e) {
        linkLast(e);//调用  2.往链表尾部插入元素  实现
        return true;
    }
 
public boolean remove(Object o) {
        if (o == null) {
            for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
                if (x.item == null) {
                    unlink(x);//调用  6.删除除链表中的指定节点  实现
                    return true;
                }
            }
        } else {
            for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
                if (o.equals(x.item)) {
                    unlink(x);//调用  6.删除除链表中的指定节点  实现
                    return true;
                }
            }
        }
        return false;
    }
 
 
//省略其他无关函数
 
 
//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
        private int expectedModCount = modCount;
 
        ListItr(int index) {
            // assert isPositionIndex(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7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会使用。

  • 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。



更多求职面试总结以及更多文章分享,请关注个人公众号:“菜鸟名企梦”,公众号后台回复“资料”即可获得2T的优质精选高清全套完整学习资料(资料丰富,你想要的基本都有~)以及博主整理好的精品资料一份。2T资料涵盖各个求职方向,并且每一个方向都有对应的经典项目,可写入简历的大型项目

编辑于 2018-10-28

文章被以下专栏收录