ArrayList和LinkedList的简单实现

• ArrayList提供了一宗可增长数组的实现。有点事对get和set调用花费常数时间。缺点是插入和删除代价昂贵，除非插入和删除是在ArrayList的末端进行。
• LinkedList提供了双链表实现。优点是，插入和删除开销很小，花费常数时间。缺点是不容易做索引，get和set调用昂贵，除非调用接近表的断点的项(离哪端近就从哪端开始)。

原文地址：http://blog.csdn.net/qq_25806863/article/details/76423425

这两个集合主要是内部对数据的存储方式不一样，一个用的数组，一个用的链表。

数组和链表

关于数组合链表在之前有个简单的比较

简单数组

array list

• 数组可以使遍历以线性时间执行O(N)。
• 查找是常数时间O(1)。
• 不过插入和删除开销昂贵，如果发生在第一个元素上，时间是O(N),如果发生在最后一个元素上也就是高端，时间是O(1)

当插入和删除都只对高端操作，数组也比较合适，否则就应用 链表 linked list

简单链表

使用链表是因为链表在内存中是不连续的，不用因为一个元素的插入或删除而引起其他元素的变动。

链表由一系列节点组成，节点不需要在内存中相连，因此每一个节点除了自身元素外还要包含自己的后继元的节点的链(link),称之为next链。最后一个节点的next链引用null。

• 遍历的时间是O(N),跟数组一样。
• 查找的时间，因为需要从第一个节点开始查找，所以时间也是线性的，O(N) 。要查找第x个元素，花费的时间是O(x), 效率不如数组。
• 删除可以通过修改next链的引用来实现
• 插入也一样，获取一个新节点，修改两个next链的引用，

删除A2：

在A1后插入Ax：

双链表

让每一个节点拥有其前驱节点的引用就成了双链表。

ArrayList和LinkedList

• ArrayList提供了一宗可增长数组的实现。有点事对get和set调用花费常数时间。缺点是插入和删除代价昂贵，除非插入和删除是在ArrayList的末端进行。
• LinkedList提供了双链表实现。优点是，插入和删除开销很小，花费常数时间。缺点是不容易做索引，get和set调用昂贵，除非调用接近表的断点的项(离哪端近就从哪端开始)。

ArrayList的实现

• 内部使用数组来保存数据，有一个默认的数组容量
• 当容量不够的时候，扩容一个新数组，将老数据复制到新数组，释放旧数组。
• 内部类实现 MyIterator
• 增强for循环的实现 implements Iterable

import java.util.Arrays;
import java.util.ConcurrentModificationException;
import java.util.Iterator;
import java.util.NoSuchElementException;
import java.util.function.Consumer;

/**
 * @author sll on 2017/6/30.
 */
public class MyArrayList<Element> implements Iterable<Element> {
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 5;
private int size;
private Element[] elements;
private int modCount = 0;

public MyArrayList() {
        elements = (Element[]) new Object[DEFAULT_CAPACITY];
        clear();
    }

public void clear() {
        size = 0;
        ensureCapacity(DEFAULT_CAPACITY);
    }

public int size() {
return size;
    }

public boolean isEmpty() {
return size == 0;
    }

public void trimToSize() {
        ensureCapacity(size);
    }

//这里是查找，使用数组直接就查出来了，所以一次查询的时间是 O(1)
public Element get(int index) {
if (index < 0 || index >= size) {
throw new ArrayIndexOutOfBoundsException();
        }
return elements[index];
    }

public Element set(int index, Element newElement) {
if (index < 0 || index >= size) {
throw new ArrayIndexOutOfBoundsException();
        }
        Element old = elements[index];
        elements[index] = newElement;
return old;
    }

public boolean add(Element e) {
return add(size, e);
    }


//这里的增加和删除就要移动很多项，所以一次插入或删除的速度是 O(N)
public boolean add(int index, Element e) {
if (elements.length == size) {
            ensureCapacity(size * 2 + 1);
        }
        System.arraycopy(elements, index, elements, index + 1, size - index);
        elements[index] = e;
        size++;
        modCount++;
return true;
    }

public Element remove(int index) {
        Element removeElement = elements[index];
int moveNum = size - index - 1;
if (moveNum > 0) {
            System.arraycopy(elements, index + 1, elements, index, moveNum);
        }
        size--;
        elements[size] = null;
        modCount++;
return removeElement;
    }

public void ensureCapacity(int newCapacity) {
if (newCapacity < size)
return;
        elements = Arrays.copyOf(elements, newCapacity);
    }


public Itr iterator() {
return new Itr();
    }


private class Itr implements Iterator<Element> {
private int exceptMocCount = modCount;
private int current = 0;

@Override
public boolean hasNext() {
return current < size();
        }

@Override
public Element next() {
if (exceptMocCount != modCount) {
throw new ConcurrentModificationException();
            }
if (!hasNext()) {
throw new NoSuchElementException();
            }
return elements[current++];
        }

@Override
public void remove() {
if (exceptMocCount != modCount) {
throw new ConcurrentModificationException();
            }
            MyArrayList.this.remove(--current);
        }

@Override
public void forEachRemaining(Consumer<? super Element> action) {

        }
    }
}

LinkedList的实现

• 使用双链表来实现
• 节点类Node，为私有静态内部类（嵌套类）,包含数据和前后节点的链
• 有两个额外的节点，头节点和尾节点，中间才是数据
• 内部实现MyIterator
• 增强for循环的实现 implements Iterable
• 对add和remove增加一个计数modCount，在迭代器的hasNext和next中比较这个计数，不同就说明这个集合被修改了，就抛出异常ConcurrentModificationException。

import java.util.ConcurrentModificationException;
import java.util.Iterator;
import java.util.NoSuchElementException;

/**
 * @author sll on 2017/6/30.
 */
public class MyLinkedList<E> implements Iterable<E> {

private int theSize = 0;
private int modCount = 0;
private Node<E> startNode, endNode;//额外的头节点和尾节点

public MyLinkedList() {
        clear();
    }

private void clear() {
        startNode = new Node(null, null, null);
        endNode = new Node(null, startNode, null);
        startNode.next = endNode;
        theSize = 0;
        modCount++;
    }

public int size() {
return theSize;
    }

public boolean isEmpty() {
return size() == 0;
    }

public boolean add(E x) {
return add(size(), x);
    }

public boolean add(int index, E x) {
        addBefore(getNode(index), x);
return true;
    }

public E get(int index) {
return getNode(index).data;
    }

public E set(int index, E x) {
        Node<E> p = getNode(index);
        E old = p.data;
        p.data = x;
return old;
    }

public E remove(int index) {
return remove(getNode(index));
    }


private void addBefore(Node<E> p, E x) {
        Node<E> newNode = new Node<>(x, p.prev, p);
        newNode.prev.next = newNode;
        p.prev = newNode;
        theSize++;
        modCount++;
    }

private Node<E> getNode(int index) {
        Node<E> p;
if (index < 0 || index > size())
throw new IndexOutOfBoundsException();
if (index < size() / 2) {
            p = startNode.next;
for (int i = 0; i < index; i++) {
                p = p.next;
            }
        } else {
            p = endNode;
for (int i = size(); i > index; i--) {
                p = p.prev;
            }
        }

return p;
    }

private E remove(Node<E> x) {
        x.prev.next = x.next;
        x.next.prev = x.prev;
        theSize--;
        modCount++;
return x.data;
    }

    @Override
public Iterator<E> iterator() {
return new MyIterator();
    }

private static class Node<E> {
public E data;
public Node<E> prev;
public Node<E> next;

public Node(E data, Node<E> prev, Node<E> next) {
this.data = data;
this.prev = prev;
this.next = next;
        }
    }

private class MyIterator implements Iterator<E> {
private Node<E> current = startNode.next;
private int expectedModCount = modCount;
private boolean okToRemove = false;

        @Override
public boolean hasNext() {
return current!= endNode;
        }

        @Override
public E next() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
if (!hasNext()) {
throw new NoSuchElementException();
            }
            E nextItem = current.data;
            current = current.next;
            okToRemove = true;
return nextItem;
        }

        @Override
public void remove() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
if (!okToRemove) {
throw new NoSuchElementException();
            }
            MyLinkedList.this.remove(current.prev);
            okToRemove = false;
            expectedModCount++;
        }

    }


}

时间对比

以分别用ArrayList和LinkedList用下面三个方法做一个时间对比：

//从末端添加，创建一个由N个项的List。
public static void makeList1(List<Integer> list, int N) {
list.clear();
for (int i = 0; i < N; i++) {
list.add(i);
    }
}

//从首端添加，创建一个由N个项的List。
public static void makeList2(List<Integer> list, int N) {
list.clear();
for (int i = 0; i < N; i++) {
list.add(0, i);
    }
}

//获取长度为N的List的每一个值求和。
public static void makeList3(List<Integer> list) {
long total = 0;
for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
        total += list.get(i);
    }
}

首先创建两个集合，N=100000，打印耗费时间(ms)：

List<Integer> arrayList = new ArrayList<>();
List<Integer> linkedList = new LinkedList<Integer>();

• makeList1

  makeList1(arrayList, 100000);
  makeList1(linkedList, 100000);

结果可能会不一样，但也是相近的。

运行时间都是O(N)

• makeList2

  makeList2(arrayList, 100000);
  makeList2(linkedList, 100000);

linkedList花费的时间少得多，执行时间是O(N)

而ArrayList因为每次在头部插入都需要将之前所有项向后移动一位，所以执行时间是O(N^2)

• makeList3

  makeList2(arrayList, 100000);
  makeList2(linkedList, 100000);
  
  makeList3(arrayList);
  makeList3(linkedList);

​ 这个每次都要查找，所以ArrayList比较快，执行时间是O(N)

​ 而inkedList的执行时间是O(N^2)

• 用迭代器实现makeList3

  将makeList3改成：

  public static void makeList3(List<Integer> list) {
  long total = 0;
  for (Integer i : list) {
            total+=i;
        }
    }

​ 两个都很相近了，都是O(N)。

参考《数据结构与算法分析java版》