毫不留情地揭开 ArrayList 和 LinkedList 之间的神秘面纱

ArrayList 和LinkedList 是 List 接口的两种不同实现，并且两者都不是线程安全的。但初学者往往搞不清楚它们两者之间的区别，不知道什么时候该用 ArrayList，什么时候该用 LinkedList，那这篇文章就来传道受业解惑一下。

ArrayList 内部使用的动态数组来存储元素，LinkedList 内部使用的双向链表来存储元素，这也是 ArrayList 和 LinkedList 最本质的区别。
注：本文使用的 JDK 源码版本为 14，小伙伴如果发现文章中的源码和自己本地的不同时，不要担心，不是我源码贴错了，也不是你本地的源码错了，只是版本不同而已。
由于 ArrayList 和 LinkedList 内部使用的存储方式不同，导致它们的各种方法具有不同的时间复杂度。先来通过维基百科理解一下时间复杂度这个概念。
在计算机科学中，算法的时间复杂度（Time complexity）是一个函数，它定性描述该算法的运行时间。这是一个代表算法输入值的字符串的长度的函数。时间复杂度常用大 O 符号表述，不包括这个函数的低阶项和首项系数。使用这种方式时，时间复杂度可被称为是渐近的，亦即考察输入值大小趋近无穷时的情况。例如，如果一个算法对于任何大小为 n （必须比大）的输入，它至多需要 的时间运行完毕，那么它的渐近时间复杂度是。
对于 ArrayList 来说：

1） get(int index)
方法的时间复杂度为，因为是直接从底层数组根据下标获取的，和数组长度无关。

public E get(int index) {

    Objects.checkIndex(index, size);

    return elementData(index);

}

这也是 ArrayList 的最大优点。

2） add(E e)
方法会默认将元素添加到数组末尾，但需要考虑到数组扩容的情况，如果不需要扩容，时间复杂度为。

public boolean add(E e) {

    modCount++;

    add(e, elementData, size);

    return true;

}




private void add(E e, Object[] elementData, int s) {

    if (s == elementData.length)

        elementData = grow();

    elementData[s] = e;

    size = s + 1;

}

如果需要扩容的话，并且不是第一次（ oldCapacity > 0
）扩容的时候，内部执行的 Arrays.copyOf()
方法是耗时的关键，需要把原有数组中的元素复制到扩容后的新数组当中。

private Object[] grow(int minCapacity) {

    int oldCapacity = elementData.length;

    if (oldCapacity > 0 || elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {

        int newCapacity = ArraysSupport.newLength(oldCapacity,

                minCapacity - oldCapacity, /* minimum growth */

                oldCapacity >> 1           /* preferred growth */);

        return elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);

    } else {

        return elementData = new Object[Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity)];

    }

}

3） add(int index, E element)
方法将新的元素插入到指定的位置，考虑到需要复制底层数组（根据之前的判断，扩容的话，数组可能要复制一次），根据最坏的打算（不管需要不需要扩容， System.arraycopy()
肯定要执行），所以时间复杂度为。

public void add(int index, E element) {

    rangeCheckForAdd(index);

    modCount++;

    final int s;

    Object[] elementData;

    if ((s = size) == (elementData = this.elementData).length)

        elementData = grow();

    System.arraycopy(elementData, index,

            elementData, index + 1,

            s - index);

    elementData[index] = element;

    size = s + 1;

}

来执行以下代码，把沉默王八插入到下标为 2 的位置上。

ArrayList list = new ArrayList<>();

list.add("沉默王二");

list.add("沉默王三");

list.add("沉默王四");

list.add("沉默王五");

list.add("沉默王六");

list.add("沉默王七");

list.add(2, "沉默王八");

System.arraycopy()
执行完成后，下标为 2 的元素为沉默王四，这一点需要注意。也就是说，在数组中插入元素的时候，会把插入位置以后的元素依次往后复制，所以下标为 2 和下标为 3 的元素都为沉默王四。

之后再通过 elementData[index] = element
将下标为 2 的元素赋值为沉默王八；随后执行 size = s + 1
，数组的长度变为 7。

4） remove(int index)
方法将指定位置上的元素删除，考虑到需要复制底层数组，所以时间复杂度为。

public E remove(int index) {

    Objects.checkIndex(index, size);

    final Object[] es = elementData;




    @SuppressWarnings("unchecked") E oldValue = (E) es[index];

    fastRemove(es, index);




    return oldValue;

}

private void fastRemove(Object[] es, int i) {

    modCount++;

    final int newSize;

    if ((newSize = size - 1) > i)

        System.arraycopy(es, i + 1, es, i, newSize - i);

    es[size = newSize] = null;

}

对于 LinkedList 来说：

1） get(int index)
方法的时间复杂度为，因为需要循环遍历整个链表。

public E get(int index) {

    checkElementIndex(index);

    return node(index).item;

}




LinkedList.Node node(int index) {

    // assert isElementIndex(index);




    if (index < (size >> 1)) {

        LinkedList.Node x = first;

        for (int i = 0; i < index; i++)

            x = x.next;

        return x;

    } else {

        LinkedList.Node x = last;

        for (int i = size - 1; i > index; i--)

            x = x.prev;

        return x;

    }

}

下标小于链表长度的一半时，从前往后遍历；否则从后往前遍历，这样从理论上说，就节省了一半的时间。

如果下标为 0 或者 list.size() - 1
的话，时间复杂度为。这种情况下，可以使用 getFirst()
和 getLast()
方法。

public E getFirst() {

    final LinkedList.Node f = first;

    if (f == null)

        throw new NoSuchElementException();

    return f.item;

}




public E getLast() {

    final LinkedList.Node l = last;

    if (l == null)

        throw new NoSuchElementException();

    return l.item;

}

first 和 last 在链表中是直接存储的，所以时间复杂度为。

2） add(E e)
方法默认将元素添加到链表末尾，所以时间复杂度为。

public boolean add(E e) {

    linkLast(e);

    return true;

}

void linkLast(E e) {

    final LinkedList.Node l = last;

    final LinkedList.Node newNode = new LinkedList.Node<>(l, e, null);

    last = newNode;

    if (l == null)

        first = newNode;

    else

        l.next = newNode;

    size++;

    modCount++;

}

3） add(int index, E element)
方法将新的元素插入到指定的位置，需要先通过遍历查找这个元素，然后再进行插入，所以时间复杂度为。

public void add(int index, E element) {

    checkPositionIndex(index);




    if (index == size)

        linkLast(element);

    else

        linkBefore(element, node(index));

}

如果下标为 0 或者 list.size() - 1
的话，时间复杂度为。这种情况下，可以使用 addFirst()
和 addLast()
方法。

public void addFirst(E e) {

    linkFirst(e);

}

private void linkFirst(E e) {

    final LinkedList.Node f = first;

    final LinkedList.Node newNode = new LinkedList.Node<>(null, e, f);

    first = newNode;

    if (f == null)

        last = newNode;

    else

        f.prev = newNode;

    size++;

    modCount++;

}

linkFirst()
只需要对 first 进行更新即可。

public void addLast(E e) {

    linkLast(e);

}




void linkLast(E e) {

    final LinkedList.Node l = last;

    final LinkedList.Node newNode = new LinkedList.Node<>(l, e, null);

    last = newNode;

    if (l == null)

        first = newNode;

    else

        l.next = newNode;

    size++;

    modCount++;

}

linkLast()
只需要对 last 进行更新即可。

需要注意的是，有些文章里面说，LinkedList 插入元素的时间复杂度近似，其实是有问题的，因为 add(int index, E element)
方法在插入元素的时候会调用 node(index)
查找元素，该方法之前我们之间已经确认过了，时间复杂度为，即便随后调用 linkBefore()
方法进行插入的时间复杂度为，总体上的时间复杂度仍然为才对。

void linkBefore(E e, LinkedList.Node succ) {

    // assert succ != null;

    final LinkedList.Node pred = succ.prev;

    final LinkedList.Node newNode = new LinkedList.Node<>(pred, e, succ);

    succ.prev = newNode;

    if (pred == null)

        first = newNode;

    else

        pred.next = newNode;

    size++;

    modCount++;

}

4） remove(int index)
方法将指定位置上的元素删除，考虑到需要调用 node(index)
方法查找元素，所以时间复杂度为。

public E remove(int index) {

    checkElementIndex(index);

    return unlink(node(index));

}




E unlink(LinkedList.Node x) {

    // assert x != null;

    final E element = x.item;

    final LinkedList.Node next = x.next;

    final LinkedList.Node 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;

}

通过时间复杂度的比较，以及源码的分析，我相信小伙伴们在选择的时候就有了主意，对吧？
需要注意的是，如果列表很大很大，ArrayList 和 LinkedList 在内存的使用上也有所不同。LinkedList 的每个元素都有更多开销，因为要存储上一个和下一个元素的地址。ArrayList 没有这样的开销。
但是，ArrayList 占用的内存在声明的时候就已经确定了（默认大小为 10），不管实际上是否添加了元素，因为复杂对象的数组会通过 null 来填充。LinkedList 在声明的时候不需要指定大小，元素增加或者删除时大小随之改变。
另外，ArrayList 只能用作列表；LinkedList 可以用作列表或者队列，因为它还实现了 Deque 接口。
我在写这篇文章的时候，遇到了一些问题，所以请教了一些大厂的技术大佬，结果有个朋友说，“如果真的不知道该用 ArrayList 还是 LinkedList，就选择 ArrayList 吧！”
我当时以为他在和我开玩笑呢，结果通过时间复杂度的分析，好像他说得有道理啊。查询的时候，ArrayList 比 LinkedList 快，这是毋庸置疑的；插入和删除的时候，之前有很多资料说 LinkedList 更快，时间复杂度为，但其实不是的，因为要遍历列表，对吧？
反而 ArrayList 更轻量级，不需要在每个元素上维护上一个和下一个元素的地址。

我这样的结论可能和大多数文章得出的结论不符，那么我想，选择权交给小伙伴们，你们在使用的过程中认真地思考一下，并且我希望你们把自己的思考在留言区放出来。