用 ArrayList 还是 LinkedList
发布于 11 天前 作者 yan 24 次浏览

(给ImportNew加星标,提高Java技能)

编译:ImportNew/唐尤华

stackoverflow.com/questions/322715/when-to-use-linkedlist-over-arraylist-in-java

问题:

通常我会这么定义列表:

List<String> names = new ArrayList<>(); 

names类型使用List接口,那么具体实现该如何选择。

什么时候应该用LinkedList替代ArrayList,反之亦然?

总结:

大多数情况下,相比LinkedList更推荐使用ArrayList或ArrayDeque。如果不确定,可以直接选用ArrayList。

LinkedList和ArrayList是List接口的两种不同实现。LinkedList采用双向链表实现。ArrayList通过动态调整数组大小实现。

与标准链表和数组操作一样,不同的实现方法算法运行时也不同。

对于LinkedList<E>

  • get(int index)复杂度为O(n)(平均步长n/4)
  • add(E element)复杂度为O(1)
  • add(int index, E element)复杂度为O(n)(平均步长n/4)。但是当index = 0时复杂度为O(1)<— LinkedList<E>的主要优点。
  • remove(int index)复杂度为O(n)(平均步长n/4)
  • Iterator.remove()复杂度为O(1)。<—LinkedList<E>的主要优点
  • ListIterator.add(E element)复杂度为O(1)。这是LinkedList<E>的一个主要优点。

注意:许多操作平均需要n/4步长,最好的情况下(例如index= 0)步长为常数,最坏的情况下需要n/2步(列表中间)。

对于ArrayList<E>

  • get(int index)复杂度为O(1)<— ArrayList<E>的主要优点
  • add(E element)分摊后的复杂度为O(1),但最坏的情况是O(n),因为需要调整数组大小并进行拷贝
  • add(int index,E element)复杂度为O(n)(平均步长n/2)
  • remove(int index)复杂度为O(n)(平均步长n/2)
  • Iterator.remove()复杂度为O(n)(平均步长n/2)
  • ListIterator.add(E element)复杂度为O(n)(平均步长n/2)

注意:许多操作要求平均步长为n/2,最好情况下(列表末尾)步长为常数,最坏情况下(列表开始)需要n步

LinkedList<E>可以使用iterator实现固定时间插入或删除,但只能顺序访问元素。换句话说,可以向前或向后遍历列表,但是在列表中查找固定位置元素花费的时间与列表大小成正比。Javadoc中这么写道:“在列表中建立索引,会从列头或列尾开始遍历,从更靠近的位置开始”,这些方法平均复杂度为O(n)(平均步长n/4),尽管index = 0时复杂度为O(1)。

另一方面,ArrayList<E>支持快速随机读取访问,因此获取任何元素都能在恒定时间内完成。但是,除了列尾在其它任何位置添加或删除元素,都需要把后面的所有元素移位。同样,如果添加的元素多于底层数组的容量,则会分配一个新数组(大小是之前的1.5倍),并把旧数组复制到新数组中。因此在ArrayList中添加元素时间复杂度最差为O(n),平均情况下为常数。

因此,根据您打算执行的操作选择对应的实现。遍历这两种List开销都很小。(从技术上看ArrayList更快,但除非确实对性能要求十分敏感,否则不必担心。遍历的复杂度都是常量)

使用LinkedList其中一个好处可以重用已有iterator插入和删除元素。然后修改本地列表即可,操作的时间复杂度为O(1)。在ArrayList中,数组余下的部分需要移动(即拷贝)。而在LinkedList中执行seek操作遍历,最坏时间复杂度为O(n)(平均步长n/2),而ArrayList中,可以直接计算位置进行访问,复杂度为O(1)。

在LinkedList列头增加或删除操作时间复杂度为O(1),而ArrayList需要O(n)。请注意:ArrayDeque可以用来替代LinkedList,适合在列头添加和删除元素,但它不是List。

另外,如果列表很大,请记住,内存使用情况也有所不同。每个LinkedList元素都有额外开销,因为里面还存储了指向下一个和上一个元素的指针。ArrayLists没有这种开销。但是,无论是否实际添加了元素,ArrayList都会分配初始容量大小的内存。

ArrayList默认初始容量很小(Java 1.4-1.8中设为10)。但是由于底层实现是数组,因此如果添加很多元素,则必须调整数组大小。如果提前知道需要添加很多元素,为避免调整数组大小带来的开销,在创建ArrayList时需要设置更大的初始容量。

答案2(案例分析):

现代计算机体系结构中,ArrayList性能几乎在所有情况下都得到大大提升。因此,除非一些非常独特和极端的情况,应避免使用LinkedList。

从理论上讲,LinkedList的add(E element)时间复杂度为O(1)。

同样,在列表中间添加元素应该非常有效。

实际并非如此,因为LinkedList是一种对缓存不友好的数据结构。从性能的角度看,只有在极少数情况下,LinkedList的性能会优于缓存友好的ArrayList。

下面是在随机位置插入元素的基准测试结果。就像你看到的那样:ArrayList的效率要高得多。尽管从理论上讲,每次向列表中插入元素都需要“移动”数组中后续n个后元素(个数越少越好):

在缓存更大、速度更快的下一代硬件上运行,得出的结论更明确:

LinkedList完成相同工作所需的时间更长。

有两个主要原因:

  • 主要原因:LinkedList节点随机分布在整个内存中。RAM(“随机访问存储器”)并不是真正随机,需要获取内存块进行缓存。这个操作非常耗时,并且当这种操作频繁发生时,需要一直替换缓存中的内存页 -> 缓存未命中 -> 缓存效率低下。ArrayList元素存储在连续内存中,这正是现代CPU架构优化的内容。
  • 其次,LinkedList需要保留指向前一个与后一个元素的指针,这意味着每个元素的内存消耗是ArrayList的3倍。

DynamicIntArray是一个自定义ArrayList实现,元素类型为Int(原始类型)而非Object。因此所有数据实际上都是相邻存储,因此效率更高。

记住一个关键因素,获取存储块比访问单个存储单元的开销更大。这就是为什么读取器1MB顺序内存要比从不同内存块中读取同样的数据量快400倍的原因:

延迟数据比较(〜2012)
----------------------------------
L1 cache reference                           0.5 ns
Branch mispredict                            5   ns
L2 cache reference                           7   ns                      14x L1 cache
Mutex lock/unlock                           25   ns
Main memory reference                      100   ns                      20x L2 cache, 200x L1 cache
Compress 1K bytes with Zippy             3,000   ns        3 us
Send 1K bytes over 1 Gbps network       10,000   ns       10 us
Read 4K randomly from SSD*             150,000   ns      150 us          ~1GB/sec SSD
Read 1 MB sequentially from memory     250,000   ns      250 us
Round trip within same datacenter      500,000   ns      500 us
Read 1 MB sequentially from SSD*     1,000,000   ns    1,000 us    1 ms  ~1GB/sec SSD, 4X memory
Disk seek                           10,000,000   ns   10,000 us   10 ms  20x datacenter roundtrip
Read 1 MB sequentially from disk    20,000,000   ns   20,000 us   20 ms  80x memory, 20X SSD
Send packet CA->Netherlands->CA    150,000,000   ns  150,000 us  150 ms 

来源:每个程序员都应该知道的延迟数据

为了让观点表达得更清晰,可以查看列表开头的add element结果。从理论上讲,这只是一种情况。其实LinkedList应该表现得更好,而ArrayList的结果应该不及它:

注意:这是C++ Std库的基准测试。但是根据我之前的经验,C++和Java的结果非常类似。源代码

复制连续内存是现代CPU的一种优化:理论在不断演变,实际上又让ArrayList和Vector效率变得更高。

参考文中发布的所有基准测试均来自KjellHedström。在他的博客上可以找到更多数据。

博客地址:https://kjellkod.wordpress.com/

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