【面试题】ArrayList 和 LinkedList的区别

理论认知

ArrayList 和 LinkedList 都是 Java 集合框架（Java Collections Framework）中的一部分，它们用于存储动态大小的元素列表。然而，它们在内部实现、性能特性以及用途上有一些显著的差异。以下是它们之间的主要区别：

1. 内部实现：

   • ArrayList：基于动态数组实现。在内存中，它使用连续的空间来存储元素。当元素被添加到列表中时，如果数组的大小不足以容纳新元素，则创建一个更大的数组，并将旧数组的内容复制到新数组中。
   • LinkedList：基于双向链表实现。每个元素（称为节点）都包含数据和指向其前一个节点和后一个节点的引用。因此，它不需要在内存中占用连续的空间。

2. 性能特性：

   • 访问元素：由于 ArrayList 使用连续的内存空间，因此可以通过索引直接访问任何位置的元素，时间复杂度为 O(1)。而 LinkedList 需要从头或尾节点开始遍历链表以访问特定位置的元素，时间复杂度为 O(n)。
   • 添加/删除元素：在 ArrayList 的末尾添加或删除元素是高效的（O(1)），但在列表的开头或中间添加或删除元素则可能需要移动大量元素（O(n)）。相反，LinkedList 在列表的开头或结尾添加或删除元素是高效的（O(1)），因为只需修改相邻节点的引用即可。在列表的中间添加或删除元素需要遍历链表以找到正确的位置（O(n)），但不需要移动大量元素。

3. 空间占用：

   • ArrayList 在内存中占用连续的空间，因此空间利用率较高。但是，当数组大小不足以容纳新元素时，它可能会创建更大的数组，这可能会导致空间浪费。
   • LinkedList 由于使用链表结构，不需要连续的内存空间，因此更灵活。但是，由于每个节点都需要额外的空间来存储引用，因此其空间占用可能会稍大一些。

4. 线程安全：

   • ArrayList 和 LinkedList 都不是线程安全的。如果在多线程环境中使用它们，并且多个线程同时修改列表，可能会导致数据不一致或其他并发问题。如果需要线程安全的列表，可以使用 Collections.synchronizedList() 方法或 CopyOnWriteArrayList 和 ConcurrentLinkedQueue 等并发集合类。

5. 用途：

   • ArrayList 通常用于需要频繁访问元素但不经常添加或删除元素的情况。由于其高效的索引访问和较低的空间占用，它是许多应用程序的首选数据结构。
   • LinkedList 通常用于需要频繁在列表的开头或结尾添加或删除元素的情况。由于其双向链表结构，它在这些操作上具有优势。此外，它还可以用作栈（使用 push() 和 pop() 方法）或队列（使用 offer()、poll() 或 peek() 方法）。

下面我将使用Java代码来展示ArrayList和LinkedList的一些基本操作，并突出它们之间的区别。

ArrayList 示例

import java.util.ArrayList;

public class ArrayListExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个 ArrayList
        ArrayList<String> arrayList = new ArrayList<>();

        // 添加元素到 ArrayList 的末尾
        arrayList.add("Element 1");
        arrayList.add("Element 2");
        arrayList.add("Element 3");

        // 访问 ArrayList 中的元素（通过索引）
        System.out.println("Element at index 1: " + arrayList.get(1));

        // 在 ArrayList 的开头添加元素
        // 注意：这可能需要移动所有现有的元素，因此效率较低
        arrayList.add(0, "Element 0");

        // 删除 ArrayList 中的元素（通过索引）
        // 注意：这可能需要移动被删除元素之后的所有元素，因此效率较低
        arrayList.remove(2);

        // 遍历 ArrayList
        for (String element : arrayList) {
            System.out.println(element);
        }
    }
}

LinkedList 示例

下滑查看解决方法

import java.util.LinkedList;

public class LinkedListExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个 LinkedList
        LinkedList<String> linkedList = new LinkedList<>();

        // 添加元素到 LinkedList 的末尾
        linkedList.add("Element 1");
        linkedList.add("Element 2");
        linkedList.add("Element 3");

        // 访问 LinkedList 中的元素（通常不这样做，因为效率较低）
        // 但可以通过迭代器或从头/尾节点访问
        // 这里为了演示仍然使用 get(index)
        System.out.println("Element at index 1: " + linkedList.get(1));

        // 在 LinkedList 的开头添加元素
        // 这是 LinkedList 的优势之一，因为它不需要移动任何元素
        linkedList.addFirst("Element 0");

        // 在 LinkedList 的结尾删除元素
        // 这是另一个优势，因为它也不需要移动任何元素
        linkedList.removeLast();

        // 遍历 LinkedList（通常使用迭代器，但为了简单这里使用 for-each）
        for (String element : linkedList) {
            System.out.println(element);
        }

        // 使用 LinkedList 作为栈（使用 push 和 pop）
        linkedList.push("New Element as Stack");
        System.out.println(linkedList.pop()); // 删除并返回栈顶元素

        // 使用 LinkedList 作为队列（使用 offer, poll, peek）
        linkedList.offer("New Element as Queue");
        System.out.println(linkedList.peek()); // 查看队列头元素但不删除
        System.out.println(linkedList.poll()); // 删除并返回队列头元素
    }
}

在上面的示例中，你可以看到ArrayList和LinkedList在添加、删除和访问元素时的不同。特别是，当在列表的开头或中间添加/删除元素时，LinkedList的效率更高，因为它不需要移动大量元素。而ArrayList在访问元素时效率更高，因为它可以通过索引直接访问。同时，LinkedList还提供了作为栈和队列使用的额外方法。