ArrayList 和 LinkedList 区别

ArrayList 和 LinkedList 是 Java 集合框架中两种常用的列表实现，它们在底层数据结构、性能特点和适用场景上有显著的区别。以下是它们的详细对比以及 ArrayList 的扩容机制。

1. ArrayList 和 LinkedList 的底层区别

(1) 底层数据结构

• ArrayList：

  • 基于动态数组（Dynamic Array）实现。
  • 元素在内存中是连续存储的。
  • 支持随机访问，可以通过索引快速定位元素。

• LinkedList：

  • 基于双向链表（Doubly Linked List）实现。
  • 每个元素（节点）包含数据和两个指针，分别指向前后节点。
  • 不支持随机访问，必须从头或尾遍历链表才能访问指定位置的元素。

(2) 性能特点

(3) 使用场景

• ArrayList：

  • 适用于频繁随机访问元素的场景。
  • 适合读多写少的场景。
  • 示例：存储一组用户 ID，并根据索引快速查找某个用户。

• LinkedList：

  • 适用于频繁插入和删除操作的场景。
  • 适合写多读少的场景。
  • 示例：实现队列或栈等数据结构。

2. ArrayList 的扩容机制

(1) 动态数组的特点

• ArrayList 内部使用一个数组来存储元素。
• 当数组容量不足时，ArrayList 会自动扩容以容纳更多元素。

(2) 扩容过程

1. 初始容量：

   • 默认初始容量为 10。
   • 可以通过构造方法指定初始容量。

     ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>(20); // 初始容量为 20
     

2. 扩容触发条件：

   • 当添加新元素时，如果当前数组容量不足以容纳新元素，则触发扩容。

3. 扩容策略：

   • 新容量通常是原容量的 1.5 倍（即原容量 + 原容量的一半）。
   • 扩容后，会创建一个新的数组，并将原数组中的所有元素复制到新数组中。
   • 源码示例（JDK 8 中的部分代码）：

     private void grow(int minCapacity) {
         int oldCapacity = elementData.length;
         int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // 扩容为原来的 1.5 倍
         if (newCapacity - minCapacity < 0)
             newCapacity = minCapacity;
         if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
             newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
         elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); // 复制到新数组
     }
     

4. 性能影响：

   • 扩容操作涉及数组的复制，因此是一个耗时的操作。
   • 如果可以预估元素数量，建议在初始化时指定合适的容量，避免频繁扩容。

步骤

1. 计算新容量：新容量通常是旧容量的 1.5 倍（即 oldCapacity + (oldCapacity >> 1)）。例如，若当前容量为 10，则扩容后为 15。

2. 比较最小需要容量：如果计算得到的新容量仍小于所需的最小容量（minCapacity），则将新容量设为 minCapacity。

3. 检查最大容量限制：如果新容量超过了 ArrayList 能支持的最大容量（Integer.MAX_VALUE - 8），则将新容量设为 Integer.MAX_VALUE。

4. 数组复制：最终，使用 Arrays.copyOf() 方法将原数组的元素复制到新数组中，并将新数组赋值给 elementData。

(3) 扩容示例

import java.util.ArrayList;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();
        System.out.println("Initial capacity: " + getCapacity(list));

        for (int i = 0; i < 15; i++) {
            list.add(i);
            System.out.println("After adding " + i + ", capacity: " + getCapacity(list));
        }
    }

    // 获取 ArrayList 的当前容量（反射方式）
    private static int getCapacity(ArrayList<?> list) {
        try {
            java.lang.reflect.Field field = ArrayList.class.getDeclaredField("elementData");
            field.setAccessible(true);
            return ((Object[]) field.get(list)).length;
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            return -1;
        }
    }
}

运行结果：

Initial capacity: 10
After adding 0, capacity: 10
After adding 1, capacity: 10
...
After adding 9, capacity: 10
After adding 10, capacity: 15
After adding 11, capacity: 15
...

3. 总结

(1) ArrayList 和 LinkedList 的区别

(2) ArrayList 的扩容机制

• 默认初始容量为 10。
• 扩容时，新容量为原容量的 1.5 倍。
• 扩容涉及数组复制，可能会带来性能开销。
• 如果可以预估元素数量，建议在初始化时指定合适的容量。