ArrayList和LinkedList（深入源码加扩展）

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。

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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。
  • 实现了 RandomAccess 接口，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。

RandomAccess是标志性接口，标识某个 List 实现支持快速随机访问。

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(2) 性能特点

特性	ArrayList	LinkedList
随机访问	快速（时间复杂度为 O(1)）。	慢（时间复杂度为 O(n)，需要遍历链表）。
插入/删除	较慢（时间复杂度为 O(n)，可能需要移动元素）。	快速（时间复杂度为 O(1)，只需调整指针）。
内存占用	较低（仅存储元素和少量额外信息）。	较高（每个节点需要存储数据和两个指针）。

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(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。

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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
     }

   private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
   if (minCapacity < 0) // 溢出（int 整型最大值溢出）
   throw new OutOfMemoryError();
   return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
   Integer.MAX_VALUE :
   MAX_ARRAY_SIZE;
   }

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。

JDK 作者 Mark Reinhold 在 OpenJDK 邮件讨论中也提到，“减 8”是经验值，历史兼容留下的设置，它不是必须是 8，但不能是 0。

是为了防止堆内存溢出，大多数 JVM 对象是 8 字节对齐，加上对象头等等,但实际上大概率也是会堆内存溢出。

JDK21 的源码和 JDK8 稍有不同，但大致一样， JDK8 是硬编码，JDK21 是引入方法传入参数。

源码展示

	private Object[] grow(int minCapacity) {  int oldCapacity = elementData.length;  if (oldCapacity > 0 || elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {  int newCapacity = ArraysSupport