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# 05 | ArrayList还是LinkedList？使用不当性能差千倍
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你好，我是刘超。
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集合作为一种存储数据的容器，是我们日常开发中使用最频繁的对象类型之一。JDK为开发者提供了一系列的集合类型，这些集合类型使用不同的数据结构来实现。因此，不同的集合类型，使用场景也不同。
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很多同学在面试的时候，经常会被问到集合的相关问题，比较常见的有ArrayList和LinkedList的区别。
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相信大部分同学都能回答上：“ArrayList是基于数组实现，LinkedList是基于链表实现。”
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而在回答使用场景的时候，我发现大部分同学的答案是：“ArrayList和LinkedList在新增、删除元素时，LinkedList的效率要高于 ArrayList，而在遍历的时候，ArrayList的效率要高于LinkedList。”这个回答是否准确呢？今天这一讲就带你验证。
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## 初识List接口
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在学习List集合类之前，我们先来通过这张图，看下List集合类的接口和类的实现关系：
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我们可以看到ArrayList、Vector、LinkedList集合类继承了AbstractList抽象类，而AbstractList实现了List接口，同时也继承了AbstractCollection抽象类。ArrayList、Vector、LinkedList又根据自我定位，分别实现了各自的功能。
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ArrayList和Vector使用了数组实现，这两者的实现原理差不多，LinkedList使用了双向链表实现。基础铺垫就到这里，接下来，我们就详细地分析下ArrayList和LinkedList的源码实现。
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## ArrayList是如何实现的？
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ArrayList很常用，先来几道测试题，自检下你对ArrayList的了解程度。
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**问题1：**我们在查看ArrayList的实现类源码时，你会发现对象数组elementData使用了transient修饰，我们知道transient关键字修饰该属性，则表示该属性不会被序列化，然而我们并没有看到文档中说明ArrayList不能被序列化，这是为什么？
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**问题2：**我们在使用ArrayList进行新增、删除时，经常被提醒“使用ArrayList做新增删除操作会影响效率”。那是不是ArrayList在大量新增元素的场景下效率就一定会变慢呢？
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**问题3：**如果让你使用for循环以及迭代循环遍历一个ArrayList，你会使用哪种方式呢？原因是什么？
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如果你对这几道测试都没有一个全面的了解，那就跟我一起从数据结构、实现原理以及源码角度重新认识下ArrayList吧。
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### 1.ArrayList实现类
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ArrayList实现了List接口，继承了AbstractList抽象类，底层是数组实现的，并且实现了自增扩容数组大小。
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ArrayList还实现了Cloneable接口和Serializable接口，所以他可以实现克隆和序列化。
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ArrayList还实现了RandomAccess接口。你可能对这个接口比较陌生，不知道具体的用处。通过代码我们可以发现，这个接口其实是一个空接口，什么也没有实现，那ArrayList为什么要去实现它呢？
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其实RandomAccess接口是一个标志接口，他标志着“只要实现该接口的List类，都能实现快速随机访问”。
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public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
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implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
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### 2.ArrayList属性
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ArrayList属性主要由数组长度size、对象数组elementData、初始化容量default\_capacity等组成， 其中初始化容量默认大小为10。
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//默认初始化容量
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private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
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//对象数组
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transient Object[] elementData;
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//数组长度
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private int size;
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从ArrayList属性来看，它没有被任何的多线程关键字修饰，但elementData被关键字transient修饰了。这就是我在上面提到的第一道测试题：transient关键字修饰该字段则表示该属性不会被序列化，但ArrayList其实是实现了序列化接口，这到底是怎么回事呢？
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这还得从“ArrayList是基于数组实现“开始说起，由于ArrayList的数组是基于动态扩增的，所以并不是所有被分配的内存空间都存储了数据。
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如果采用外部序列化法实现数组的序列化，会序列化整个数组。ArrayList为了避免这些没有存储数据的内存空间被序列化，内部提供了两个私有方法writeObject以及readObject来自我完成序列化与反序列化，从而在序列化与反序列化数组时节省了空间和时间。
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因此使用transient修饰数组，是防止对象数组被其他外部方法序列化。
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### 3.ArrayList构造函数
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ArrayList类实现了三个构造函数，第一个是创建ArrayList对象时，传入一个初始化值；第二个是默认创建一个空数组对象；第三个是传入一个集合类型进行初始化。
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当ArrayList新增元素时，如果所存储的元素已经超过其已有大小，它会计算元素大小后再进行动态扩容，数组的扩容会导致整个数组进行一次内存复制。因此，我们在初始化ArrayList时，可以通过第一个构造函数合理指定数组初始大小，这样有助于减少数组的扩容次数，从而提高系统性能。
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public ArrayList(int initialCapacity) {
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//初始化容量不为零时，将根据初始化值创建数组大小
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if (initialCapacity > 0) {
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this.elementData = new Object[initialCapacity];
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} else if (initialCapacity == 0) {//初始化容量为零时，使用默认的空数组
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this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
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} else {
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throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
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initialCapacity);
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}
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}
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public ArrayList() {
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//初始化默认为空数组
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this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
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}
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### 4.ArrayList新增元素
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ArrayList新增元素的方法有两种，一种是直接将元素加到数组的末尾，另外一种是添加元素到任意位置。
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public boolean add(E e) {
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ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
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elementData[size++] = e;
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return true;
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}
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public void add(int index, E element) {
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rangeCheckForAdd(index);
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ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
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System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
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size - index);
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elementData[index] = element;
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size++;
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}
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两个方法的相同之处是在添加元素之前，都会先确认容量大小，如果容量够大，就不用进行扩容；如果容量不够大，就会按照原来数组的1.5倍大小进行扩容，在扩容之后需要将数组复制到新分配的内存地址。
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private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
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modCount++;
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// overflow-conscious code
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if (minCapacity - elementData.length > 0)
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grow(minCapacity);
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}
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private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
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private void grow(int minCapacity) {
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// overflow-conscious code
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int oldCapacity = elementData.length;
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int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
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if (newCapacity - minCapacity < 0)
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newCapacity = minCapacity;
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if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
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newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
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// minCapacity is usually close to size, so this is a win:
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elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
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}
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当然，两个方法也有不同之处，添加元素到任意位置，会导致在该位置后的所有元素都需要重新排列，而将元素添加到数组的末尾，在没有发生扩容的前提下，是不会有元素复制排序过程的。
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这里你就可以找到第二道测试题的答案了。如果我们在初始化时就比较清楚存储数据的大小，就可以在ArrayList初始化时指定数组容量大小，并且在添加元素时，只在数组末尾添加元素，那么ArrayList在大量新增元素的场景下，性能并不会变差，反而比其他List集合的性能要好。
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### 5.ArrayList删除元素
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ArrayList的删除方法和添加任意位置元素的方法是有些相同的。ArrayList在每一次有效的删除元素操作之后，都要进行数组的重组，并且删除的元素位置越靠前，数组重组的开销就越大。
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public E remove(int index) {
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rangeCheck(index);
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modCount++;
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E oldValue = elementData(index);
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int numMoved = size - index - 1;
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if (numMoved > 0)
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System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
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numMoved);
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elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
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return oldValue;
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}
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### 6.ArrayList遍历元素
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由于ArrayList是基于数组实现的，所以在获取元素的时候是非常快捷的。
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public E get(int index) {
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rangeCheck(index);
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return elementData(index);
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}
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E elementData(int index) {
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return (E) elementData[index];
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}
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## LinkedList是如何实现的？
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虽然LinkedList与ArrayList都是List类型的集合，但LinkedList的实现原理却和ArrayList大相径庭，使用场景也不太一样。
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LinkedList是基于双向链表数据结构实现的，LinkedList定义了一个Node结构，Node结构中包含了3个部分：元素内容item、前指针prev以及后指针next，代码如下。
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private static class Node<E> {
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E item;
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Node<E> next;
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Node<E> prev;
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Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
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this.item = element;
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this.next = next;
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this.prev = prev;
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}
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}
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总结一下，LinkedList就是由Node结构对象连接而成的一个双向链表。在JDK1.7之前，LinkedList中只包含了一个Entry结构的header属性，并在初始化的时候默认创建一个空的Entry，用来做header，前后指针指向自己，形成一个循环双向链表。
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在JDK1.7之后，LinkedList做了很大的改动，对链表进行了优化。链表的Entry结构换成了Node，内部组成基本没有改变，但LinkedList里面的header属性去掉了，新增了一个Node结构的first属性和一个Node结构的last属性。这样做有以下几点好处：
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* first/last属性能更清晰地表达链表的链头和链尾概念；
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* first/last方式可以在初始化LinkedList的时候节省new一个Entry；
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* first/last方式最重要的性能优化是链头和链尾的插入删除操作更加快捷了。
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这里同ArrayList的讲解一样，我将从数据结构、实现原理以及源码分析等几个角度带你深入了解LinkedList。
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### 1.LinkedList实现类
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LinkedList类实现了List接口、Deque接口，同时继承了AbstractSequentialList抽象类，LinkedList既实现了List类型又有Queue类型的特点；LinkedList也实现了Cloneable和Serializable接口，同ArrayList一样，可以实现克隆和序列化。
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由于LinkedList存储数据的内存地址是不连续的，而是通过指针来定位不连续地址，因此，LinkedList不支持随机快速访问，LinkedList也就不能实现RandomAccess接口。
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public class LinkedList<E>
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extends AbstractSequentialList<E>
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implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable
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### 2.LinkedList属性
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我们前面讲到了LinkedList的两个重要属性first/last属性，其实还有一个size属性。我们可以看到这三个属性都被transient修饰了，原因很简单，我们在序列化的时候不会只对头尾进行序列化，所以LinkedList也是自行实现readObject和writeObject进行序列化与反序列化。
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transient int size = 0;
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transient Node<E> first;
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transient Node<E> last;
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### 3.LinkedList新增元素
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LinkedList添加元素的实现很简洁，但添加的方式却有很多种。默认的add (Ee)方法是将添加的元素加到队尾，首先是将last元素置换到临时变量中，生成一个新的Node节点对象，然后将last引用指向新节点对象，之前的last对象的前指针指向新节点对象。
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public boolean add(E e) {
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linkLast(e);
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return true;
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}
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void linkLast(E e) {
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final Node<E> l = last;
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final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
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last = newNode;
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if (l == null)
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first = newNode;
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else
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l.next = newNode;
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size++;
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modCount++;
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}
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LinkedList也有添加元素到任意位置的方法，如果我们是将元素添加到任意两个元素的中间位置，添加元素操作只会改变前后元素的前后指针，指针将会指向添加的新元素，所以相比ArrayList的添加操作来说，LinkedList的性能优势明显。
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public void add(int index, E element) {
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checkPositionIndex(index);
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if (index == size)
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linkLast(element);
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else
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linkBefore(element, node(index));
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}
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void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
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// assert succ != null;
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final Node<E> pred = succ.prev;
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final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
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succ.prev = newNode;
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if (pred == null)
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first = newNode;
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else
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pred.next = newNode;
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size++;
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modCount++;
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}
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### 4.LinkedList删除元素
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在LinkedList删除元素的操作中，我们首先要通过循环找到要删除的元素，如果要删除的位置处于List的前半段，就从前往后找；若其位置处于后半段，就从后往前找。
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这样做的话，无论要删除较为靠前或较为靠后的元素都是非常高效的，但如果List拥有大量元素，移除的元素又在List的中间段，那效率相对来说会很低。
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### 5.LinkedList遍历元素
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LinkedList的获取元素操作实现跟LinkedList的删除元素操作基本类似，通过分前后半段来循环查找到对应的元素。但是通过这种方式来查询元素是非常低效的，特别是在for循环遍历的情况下，每一次循环都会去遍历半个List。
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所以在LinkedList循环遍历时，我们可以使用iterator方式迭代循环，直接拿到我们的元素，而不需要通过循环查找List。
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## 总结
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前面我们已经从源码的实现角度深入了解了ArrayList和LinkedList的实现原理以及各自的特点。如果你能充分理解这些内容，很多实际应用中的相关性能问题也就迎刃而解了。
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就像如果现在还有人跟你说，“ArrayList和LinkedList在新增、删除元素时，LinkedList的效率要高于ArrayList，而在遍历的时候，ArrayList的效率要高于LinkedList”，你还会表示赞同吗？
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现在我们不妨通过几组测试来验证一下。这里因为篇幅限制，所以我就直接给出测试结果了，对应的测试代码你可以访问[Github](https://github.com/nickliuchao/collection)查看和下载。
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**1.ArrayList和LinkedList新增元素操作测试**
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* 从集合头部位置新增元素
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* 从集合中间位置新增元素
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* 从集合尾部位置新增元素
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测试结果(花费时间)：
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* ArrayList>LinkedList
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* ArrayList<LinkedList
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* ArrayList<LinkedList
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通过这组测试，我们可以知道LinkedList添加元素的效率未必要高于ArrayList。
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由于ArrayList是数组实现的，而数组是一块连续的内存空间，在添加元素到数组头部的时候，需要对头部以后的数据进行复制重排，所以效率很低；而LinkedList是基于链表实现，在添加元素的时候，首先会通过循环查找到添加元素的位置，如果要添加的位置处于List的前半段，就从前往后找；若其位置处于后半段，就从后往前找。因此LinkedList添加元素到头部是非常高效的。
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同上可知，ArrayList在添加元素到数组中间时，同样有部分数据需要复制重排，效率也不是很高；LinkedList将元素添加到中间位置，是添加元素最低效率的，因为靠近中间位置，在添加元素之前的循环查找是遍历元素最多的操作。
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而在添加元素到尾部的操作中，我们发现，在没有扩容的情况下，ArrayList的效率要高于LinkedList。这是因为ArrayList在添加元素到尾部的时候，不需要复制重排数据，效率非常高。而LinkedList虽然也不用循环查找元素，但LinkedList中多了new对象以及变换指针指向对象的过程，所以效率要低于ArrayList。
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说明一下，这里我是基于ArrayList初始化容量足够，排除动态扩容数组容量的情况下进行的测试，如果有动态扩容的情况，ArrayList的效率也会降低。
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**2.ArrayList和LinkedList删除元素操作测试**
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* 从集合头部位置删除元素
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* 从集合中间位置删除元素
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* 从集合尾部位置删除元素
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测试结果(花费时间)：
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* ArrayList>LinkedList
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* ArrayList<LinkedList
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* ArrayList<LinkedList
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ArrayList和LinkedList删除元素操作测试的结果和添加元素操作测试的结果很接近，这是一样的原理，我在这里就不重复讲解了。
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**3.ArrayList和LinkedList遍历元素操作测试**
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* for(;;)循环
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* 迭代器迭代循环
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测试结果(花费时间)：
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* ArrayList<LinkedList
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* ArrayList≈LinkedList
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我们可以看到，LinkedList的for循环性能是最差的，而ArrayList的for循环性能是最好的。
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这是因为LinkedList基于链表实现的，在使用for循环的时候，每一次for循环都会去遍历半个List，所以严重影响了遍历的效率；ArrayList则是基于数组实现的，并且实现了RandomAccess接口标志，意味着ArrayList可以实现快速随机访问，所以for循环效率非常高。
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LinkedList的迭代循环遍历和ArrayList的迭代循环遍历性能相当，也不会太差，所以在遍历LinkedList时，我们要切忌使用for循环遍历。
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## 思考题
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我们通过一个使用for循环遍历删除操作ArrayList数组的例子，思考下ArrayList数组的删除操作应该注意的一些问题。
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public static void main(String[] args)
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ArrayList<String> list = new ArrayList<String>();
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list.add("a");
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list.add("a");
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list.add("b");
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list.add("b");
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list.add("c");
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list.add("c");
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remove(list);//删除指定的“b”元素
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for(int i=0; i<list.size(); i++)("c")()()(s : list)
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{
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System.out.println("element : " + s)list.get(i)
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}
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}
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从上面的代码来看，我定义了一个ArrayList数组，里面添加了一些元素，然后我通过remove删除指定的元素。请问以下两种写法，哪种是正确的？
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写法1：
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public static void remove(ArrayList<String> list)
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{
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Iterator<String> it = list.iterator();
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while (it.hasNext()) {
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String str = it.next();
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if (str.equals("b")) {
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it.remove();
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}
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}
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}
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写法2：
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public static void remove(ArrayList<String> list)
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{
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for (String s : list)
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{
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if (s.equals("b"))
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{
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list.remove(s);
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}
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}
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}
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