05 | ArrayList还是LinkedList？使用不当性能差千倍-Java性能调优实战

当前位置:　首页>> 技术小册>> Java性能调优实战

### 05 | ArrayList还是LinkedList？使用不当性能差千倍

在Java集合框架中，`ArrayList`和`LinkedList`作为最常用的两种列表实现，各自在不同的场景下展现出了独特的优势与劣势。选择恰当的数据结构对于程序的性能至关重要，错误的选择往往会导致性能下降甚至瓶颈的出现，尤其是在处理大量数据时，性能差异可能达到千倍之巨。本章将深入探讨`ArrayList`与`LinkedList`的内部实现机制、适用场景、以及错误使用导致的性能问题，帮助读者在实际开发中做出更加合理的选择。

#### 一、ArrayList vs LinkedList：基础概念

**ArrayList**：
- `ArrayList`是基于动态数组实现的，内部通过一个可扩容的数组来存储元素。
- 它提供了随机访问能力，即可以通过索引快速访问任何位置的元素。
- 在进行插入或删除操作时，如果索引位置不是数组末尾，可能需要移动大量的元素以维持数组的连续性，因此这些操作可能相对较慢。
- 扩容时，默认会将原数组大小增加到原来的1.5倍，这是一个相对昂贵的操作，但它在大多数情况下能保持良好的性能。

**LinkedList**：
- `LinkedList`则是基于双向链表实现的，每个节点包含数据部分和两个指针，分别指向前一个节点和后一个节点。
- 它不支持通过索引直接访问元素，而是通过遍历链表来查找特定位置的元素，这使得随机访问变得非常低效。
- 插入和删除操作在链表结构中相对简单，只需要调整几个指针的指向即可，因此这些操作在`LinkedList`中通常比`ArrayList`要快。

#### 二、性能差异分析

**随机访问性能**：
- `ArrayList`由于其基于数组的实现，可以通过索引直接定位到元素，时间复杂度为O(1)。
- `LinkedList`则需要通过遍历链表来访问特定位置的元素，时间复杂度为O(n)，n为元素个数。对于大规模数据集，这种差异尤为明显。

**插入与删除性能**：
- 在`ArrayList`中，如果在数组末尾进行插入或删除操作，由于数组的动态扩容特性，这些操作的时间复杂度近似为O(1)（不考虑扩容）。但如果在数组中间或开始位置插入或删除元素，则需要移动大量的元素，时间复杂度为O(n)。
- `LinkedList`在插入和删除操作上的表现则更为优秀，因为它只涉及修改几个指针的指向，时间复杂度为O(1)（不考虑遍历查找元素的时间）。

**内存占用**：
- `ArrayList`由于基于数组实现，需要预留连续的内存空间，这可能导致一定的内存浪费（尤其是当数组未满时）。同时，数组扩容也会消耗额外的内存和时间。
- `LinkedList`由于节点分散存储，不需要预留连续空间，但每个节点除了存储数据外还需要额外的空间来存储指针，这在元素数量庞大时也会成为不可忽视的内存开销。

#### 三、适用场景

**ArrayList适用场景**：
- 当你需要频繁地进行随机访问操作时，比如根据索引读取或修改元素。
- 当你预先知道集合大小或者集合大小变化不大时，以避免频繁扩容带来的性能开销。
- 当你不需要进行大量的插入和删除操作时，尤其是这些操作不在数组末尾。

**LinkedList适用场景**：
- 当你需要频繁地在列表头部或尾部插入或删除元素时。
- 当你需要遍历整个列表而不需要随机访问时。
- 当你处理的数据集大小经常变化，且插入和删除操作频繁时。

#### 四、错误使用案例与性能优化

**错误使用案例**：
- **错误案例一**：在需要频繁随机访问的场景下错误地选择了`LinkedList`，导致性能急剧下降。
- **错误案例二**：在需要大量插入和删除操作的场景（且这些操作不是发生在列表头部或尾部）下使用了`ArrayList`，频繁的数组移动导致效率低下。
- **错误案例三**：没有根据实际应用场景合理选择初始容量，导致`ArrayList`频繁扩容，浪费内存并影响性能。

**性能优化建议**：
- 根据实际需求合理选择`ArrayList`或`LinkedList`。
- 对于`ArrayList`，尽量在创建时指定一个合理的初始容量，以减少扩容次数。
- 如果`ArrayList`中元素的类型固定且数量不大，可以考虑使用`int[]`或`Object[]`等原生数组，以获得更好的性能。
- 对于`LinkedList`，如果需要频繁进行随机访问，可以考虑将链表转换为`ArrayList`或使用其他数据结构（如`TreeMap`配合索引）。
- 充分利用Java 8及以上版本的Stream API等高级特性，对集合操作进行链式调用和并行处理，以进一步提升性能。

#### 五、总结

`ArrayList`和`LinkedList`作为Java集合框架中的两大重要成员，各自拥有独特的优势和适用场景。在实际开发中，我们应该根据具体的应用场景和性能需求来合理选择数据结构，避免因为错误的选择而导致性能瓶颈。同时，我们也应该关注集合的初始容量设置、扩容机制以及可能的替代方案，以最大化程序的性能和效率。通过本章的学习，希望读者能够更加深入地理解`ArrayList`和`LinkedList`的内部机制与性能差异，从而在实际项目中做出更加明智的选择。

该分类下的相关小册推荐：

Java语言基础2-运算符

Java必知必会-Maven初级

Java语言基础8-Java多线程

Java高并发秒杀入门与实战

JAVA 函数式编程入门与实践

深入理解Java虚拟机

手把手带你学习SpringBoot-零基础到实战

Java语言基础10-Java中的集合

Java语言基础15-单元测试和日志技术

Java语言基础7-Java中的异常

Mybatis合辑5-注解、扩展、SQL构建

java源码学习笔记