仙人掌工作室

SDK提供了有序集合接口java.util.List的幾種實現(xiàn)，其中三種最為人們熟知的是Vector、ArrayList和LinkedList。有關(guān)這些List類的性能差別是一個經(jīng)常被問及的問題。在這篇文章中，我要探討的就是LinkedList和Vector/ArrayList之間的性能差異。

為全面分析這些類之間的性能差異，我們必須知道它們的實現(xiàn)方法。因此，接下來我首先從性能的角度出發(fā)，簡要介紹這些類的實現(xiàn)特點。

一、Vector和ArrayList的實現(xiàn)
Vector和ArrayList都帶有一個底層的Object[]數(shù)組，這個Object[]數(shù)組用來保存元素。通過索引訪問元素時，只需簡單地通過索引訪問內(nèi)部數(shù)組的元素：
public Object get(int index)
{ //首先檢查index是否合法...此處不顯示這部分代碼 return
elementData[index]; }



內(nèi)部數(shù)組可以大于Vector/ArrayList對象擁有元素的數(shù)量，兩者的差值作為剩余空間，以便實現(xiàn)快速添加新元素。有了剩余空間，添加元素變得非常簡單，只需把新的元素保存到內(nèi)部數(shù)組中的一個空余的位置，然后為新的空余位置增加索引值：
public boolean add(Object o)
{ ensureCapacity(size + 1); //稍后介紹 elementData[size++] = o; return true;
//List.add(Object) 的返回值 }


把元素插入集合中任意指定的位置（而不是集合的末尾）略微復雜一點：插入點之上的所有數(shù)組元素都必須向前移動一個位置，然后才能進行賦值：
public void add(int index, Object element) {
//首先檢查index是否合法...此處不顯示這部分代碼
ensureCapacity(size+1);
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
size - index);
elementData[index] = element;
size++;
}


剩余空間被用光時，如果需要加入更多的元素，Vector/ArrayList對象必須用一個更大的新數(shù)組替換其內(nèi)部Object[]數(shù)組，把所有的數(shù)組元素復制到新的數(shù)組。根據(jù)SDK版本的不同，新的數(shù)組要比原來的大50%或者100%（下面顯示的代碼把數(shù)組擴大100%）：
public void ensureCapacity(int minCapacity) {
int oldCapacity = elementData.length;
if (minCapacity > oldCapacity) {
Object oldData[] = elementData;
int newCapacity = Math.max(oldCapacity * 2, minCapacity);
elementData = new Object[newCapacity];
System.arraycopy(oldData, 0, elementData, 0, size);
}
}


Vector類和ArrayList類的主要不同之處在于同步。除了兩個只用于串行化的方法，沒有一個ArrayList的方法具有同步執(zhí)行的能力；相反，Vector的大多數(shù)方法具有同步能力，或直接或間接。因此，Vector是線程安全的，但ArrayList不是。這使得ArrayList要比Vector快速。對于一些最新的JVM，兩個類在速度上的差異可以忽略不計：嚴格地說，對于這些JVM，這兩個類在速度上的差異小于比較這些類性能的測試所顯示的時間差異。

通過索引訪問和更新元素時，Vector和ArrayList的實現(xiàn)有著卓越的性能，因為不存在除范圍檢查之外的其他開銷。除非內(nèi)部數(shù)組空間耗盡必須進行擴展，否則，向列表的末尾添加元素或者從列表的末尾刪除元素時，都同樣有著優(yōu)秀的性能。插入元素和刪除元素總是要進行數(shù)組復制（當數(shù)組先必須進行擴展時，需要兩次復制）。被復制元素的數(shù)量和[size-index]成比例，即和插入/刪除點到集合中最后索引位置之間的距離成比例。對于插入操作，把元素插入到集合最前面（索引0）時性能最差，插入到集合最后面時（最后一個現(xiàn)有元素之后）時性能最好。隨著集合規(guī)模的增大，數(shù)組復制的開銷也迅速增加，因為每次插入操作必須復制的元素數(shù)量增加了。

二、LinkedList的實現(xiàn)
LinkedList通過一個雙向鏈接的節(jié)點列表實現(xiàn)。要通過索引訪問元素，你必須查找所有節(jié)點，直至找到目標節(jié)點：
public Object get(intindex) {
//首先檢查index是否合法...此處不顯示這部分代碼
Entry e = header; //開始節(jié)點
//向前或者向后查找，具體由哪一個方向距離較
//近決定
if (index < size/2) {
for (int i = 0; i <= index; i++)
e = e.next;
} else {
for (int i = size; i > index; i--)
e = e.previous;
}
return e;
}


把元素插入列表很簡單：找到指定索引的節(jié)點，然后緊靠該節(jié)點之前插入一個新節(jié)點：
public void add(int index, Object element) {
//首先檢查index是否合法...此處不顯示這部分代碼
Entry e = header; //starting node
//向前或者向后查找，具體由哪一個方向距離較
//近決定
if (index < size/2) {
for (int i = 0; i <= index; i++)
e = e.next;
} else {
for (int i = size; i > index; i--)
e = e.previous;
}
Entry newEntry = new Entry(element, e, e.previous);
newEntry.previous.next = newEntry;
newEntry.next.previous = newEntry;
size++;
}


線程安全的LinkedList和其他集合
如果要從Java SDK得到一個線程安全的LinkedList，你可以利用一個同步封裝器從Collections.synchronizedList(List)得到一個。然而，使用同步封裝器相當于加入了一個間接層，它會帶來昂貴的性能代價。當封裝器把調(diào)用傳遞給被封裝的方法時，每一個方法都需要增加一次額外的方法調(diào)用，經(jīng)過同步封裝器封裝的方法會比未經(jīng)封裝的方法慢二到三倍。對于象搜索之類的復雜操作，這種間接調(diào)用所帶來的開銷不是很突出；但對于比較簡單的方法，比如訪問功能或者更新功能，這種開銷可能對性能造成嚴重的影響。

這意味著，和Vector相比，經(jīng)過同步封裝的LinkedList在性能上處于顯著的劣勢，因為Vector不需要為了線程安全而進行任何額外的間接調(diào)用。如果你想要有一個線程安全的LinkedList，你可以復制LinkedList類并讓幾個必要的方法同步，這樣你可以得到一個速度更快的實現(xiàn)。對于所有其它集合類，這一點都同樣有效：只有List和Map具有高效的線程安全實現(xiàn)（分別是Vector和Hashtable類）。有趣的是，這兩個高效的線程安全類的存在只是為了向后兼容，而不是出于性能上的考慮。

對于通過索引訪問和更新元素，LinkedList實現(xiàn)的性能開銷略大一點，因為訪問任意一個索引都要求跨越多個節(jié)點。插入元素時除了有跨越多個節(jié)點的性能開銷之外，還要有另外一個開銷，即創(chuàng)建節(jié)點對象的開銷。在優(yōu)勢方面，LinkedList實現(xiàn)的插入和刪除操作沒有其他開銷，因此，插入-刪除開銷幾乎完全依賴于插入-刪除點離集合末尾的遠近。

三、性能測試
這些類有許多不同的功能可以進行測試。LinkedList應用比較頻繁，因為人們認為它在隨機插入和刪除操作時具有較好的性能。所以，下面我分析的重點將是插入操作的性能，即，構(gòu)造集合。我測試并比較了LinkedList和ArrayList，因為這兩者都是非同步的。

插入操作的速度主要由集合的大小和元素插入的位置決定。當插入點的位置在集合的兩端和中間時，最差的插入性能和最好的插入性能都有機會出現(xiàn)。因此，我選擇了三個插入位置（集合的開頭、末尾和中間），三種典型的集合大�。褐械龋�100個元素），大型（10,000個元素），超大型（1,000,000個元素）。

在本文的測試中，我使用的是JAVA SDK 1.2.0和1.3.0系列的SUN JVM。此外，我還用HOTSPOT JVM 2.0進行了測試，這個版本可以在1.3.0 SDK找到。在下面的表格中，各個測量得到的時間都以其中一次SDK 1.2 VM上的測試時間（表格中顯示為100%的單元）為基準顯示。測試期間使用了默認的JVM配置，即啟用了JIT編譯，因此對于所有JVM，堆空間都必須進行擴展，以避免內(nèi)存溢出錯誤。表格中記錄的時間是多次測試的平均時間。為了避免垃圾收集的影響，在各次測試之間我強制進行了完全的內(nèi)存清理（參見測試源代碼了解詳情）。磁盤監(jiān)測確保磁盤分頁不會在測試過程中出現(xiàn)（任何測試，如果它顯示出嚴重的磁盤分頁操作，則被丟棄）。所有顯示出數(shù)秒應答時間的速度太慢的測試都重復進行，直至記錄到一個明顯合理的時間。
表1：構(gòu)造一個中等大小的集合（100個元素）。括號中的數(shù)字針對預先確定大小的集合。
　 1.2 JVM 1.3 JVM HotSpot 2.0 JVM
總是插入到ArrayList的開頭 100% (48.0%) 184.9% (152.0%) 108.0% (66.7%)
總是插入到LinkedList的開頭 135.5% 109.1% 85.3%
總是插入到ArrayList的中間 130.0% (40.6%) 187.4% (158.0%) 84.7% (46.0%)
總是插入到LinkedList的中間 174.0% 135.0% 102.3%
總是插入到ArrayList的末尾 63.3% (20.7%) 65.9% (25.0%) 60.3% (29.3%)
總是插入到LinkedList的末尾 106.7% 86.3% 80.3%

對于規(guī)模較小的集合，ArrayList和LinkedList的性能很接近。當元素插入到集合的末尾時，即追加元素時，ArrayList的性能出現(xiàn)了突變。然而，追加元素是ArrayList特別為其優(yōu)化的一個操作：如果你只想要一個固定大小的靜態(tài)集合，Java數(shù)組（例如Object[]）比任何集合對象都具有更好的性能。除了追加操作，測量得到的時間數(shù)據(jù)差別不是很大，它們反映了各個JVM的優(yōu)化程度，而不是其他什么東西。

例如，對于把元素插入到集合的開始位置來說（表1的前兩行），HotSpot 2.0 JVM加LinkedList具有最好的性能（85.3%），處于第二位的是 1.2 JVM加ArrayList（100%）。這兩個結(jié)果顯示出，1.2中簡單的JIT編譯器在執(zhí)行迭代和復制數(shù)組等簡單的操作時具有很高的效率。在HotSpot中復雜的JVM加上優(yōu)化的編譯器能夠改進復雜操作的性能，比如對象創(chuàng)建（創(chuàng)建LinkedList節(jié)點），并能夠利用代碼內(nèi)嵌（code-inlining）的優(yōu)勢。1.3 JVM的結(jié)果似乎顯示出，在簡單操作方面它的性能有著很大的不足，這一點很可能在以后的JVM版本中得到改進。

在這里我特別進行測試的是ArrayList相對于LinkedList的另一個優(yōu)點，即預先確定集合大小的能力。具體地說，創(chuàng)建ArrayList的時候允許指定一個具體的大�。ɡ�如，在測試中ArrayList可以創(chuàng)建為擁有100個元素的容量），從而避免所有隨著元素增多而增加集合規(guī)模的開銷。表1括號中的數(shù)字顯示了預先確定集合大小時性能的提高程度。LinkedList（直到 SDK 1.3）不能預先確定大小。

此外，ArrayList只生成少量的需要進行垃圾收集的對象，即，用來保存元素的內(nèi)部數(shù)組對象，以及每次ArrayList容量不足需要進行擴展時創(chuàng)建的附加內(nèi)部數(shù)組對象。LinkedList不管可能出現(xiàn)的任何刪除操作，都為每一個插入操作生成一個節(jié)點對象。因此，LinkedList會給垃圾收集器帶來相當多的工作�？紤]到這些因素，對于任何中小規(guī)模的集合，我會選擇使用ArrayList而不是LinkedList。
表2：構(gòu)造一個大型集合（10,000個元素）
　 1.2 JVM 1.3 JVM HotSpot 2.0 JVM
總是插入到ArrayList的開頭 7773% 7537% 7500%
總是插入到LinkedList的開頭 100% 90.34% 65.6%
總是插入到ArrayList的中間 3318% 3412% 3121%
總是插入到LinkedList的中間 26264% 14315% 14209%
總是插入到ArrayList的末尾 41.4% 41.2% 37.5%
總是插入到LinkedList的末尾 66.4% 73.9% 61.7%

表2顯示了大規(guī)模集合的測試結(jié)果。可以看到，在出現(xiàn)大規(guī)模插入操作的時候，我們開始遭遇嚴厲的性能懲罰。正如我們前面分析類的實現(xiàn)所得到的結(jié)果，對于LinkedList來說最差的情形出現(xiàn)在把元素插入到集合中間時。另外我們還可以看到，與使用ArrayList時把元素插入到集合開頭的最差性能相比，使用LinkedList時把元素插入到集合中間的性能更差一些。和這兩種性能最差的情況相比，把元素插入到ArrayList中間的性能顯然要好得多。

總地看來，ArrayList再一次在大多數(shù)情形下表現(xiàn)出更好的性能，包括根據(jù)索引把元素插入到隨機位置的情形。如果你總是要把元素插入到集合中靠前的位置，LinkedList具有更好的性能；然而，此時你可以利用一個反向的ArrayList得到更好的性能，即，使用一個專用的實現(xiàn)，或者通過[size -index]映射翻轉(zhuǎn)索引在集合中的位置。
表3：構(gòu)造一個超大集合（1,000,000個元素）
　 1.2 JVM 1.3 JVM HotSpot 2.0 JVM
總是插入到ArrayList的開頭 太長 太長 太長
總是插入到LinkedList的開頭 100% 179.5% 144.1%
總是插入到ArrayList的中間 太長 太長 太長
總是插入到LinkedList的中間 太長 太長 太長
總是插入到ArrayList的末尾 38.3% 47.7% 42.9%
總是插入到LinkedList的末尾 65.1% 161.5% 139.9%

表3顯示了超大集合的測試結(jié)果，從該表可以得出的結(jié)論與表2非常相似。然而，表3強調(diào)的是，超大集合要求數(shù)據(jù)、集合類型、數(shù)據(jù)處理算法之間的恰到好處的配合；否則，你將得到事實上不可接受的性能表現(xiàn)。至于性能優(yōu)化，你可以構(gòu)造一個針對該問題的專用集合類。對于超大集合來說，為了獲得可接受的性能，構(gòu)造專用集合類往往是很有必要的。

四、查詢的性能
在類的內(nèi)部實現(xiàn)查詢時查詢的性能最高。對于查詢這些列表來說，迭代所有元素所需要的時間是一個限制因素。ArrayList/Vector類中實現(xiàn)的查詢將對類的元素進行迭代。下面的例子計算空元素的總數(shù)量：
int count = 0;
for (int i = 0; i < size; i++)
if(elementData[i] == null)
count++;

LinkedList類中實現(xiàn)的查詢將搜索所有的節(jié)點。下面的例子計算所有空元素的總數(shù)量：
node = header.next;
count = 0;
for (int i = 0; i < repeat; i++, node = node.next)
if (node.element == null)
count++;


表4顯示出，ArrayList的性能顯著地超過了LinkedList，它再一次顯示出ArrayList應該是我們首選的類。表5顯示了利用從List.listIterator(int)獲得的ListIterator對象迭代所有元素所需要的時間，如果查詢機制不能在List內(nèi)部實現(xiàn)，這些迭代器是必需的。ArrayList再一次顯示出了較高的性能，但這次性能的差異程度不象表4顯示的那樣不可思議。注意，表5所顯示的絕對時間相當于表4顯示絕對時間的10倍，即，ArrayList內(nèi)部遍歷大約比ArrayList利用ListIterator迭代要快10倍。
表4：通過內(nèi)部訪問迭代集合中的所有元素
　 1.2 JVM 1.3 JVM HotSpot 2.0 JVM
ArrayList內(nèi)部搜索 100% 106% 197%
LinkedList內(nèi)部搜索 470% 493% 448%

表5：通過ListIterator遍歷集合中的所有元素
　 1.2 JVM 1.3 JVM HotSpot 2.0 JVM
利用ListIterator迭代ArrayList 100% 118% 75.2%
利用ListIterator迭代ListedList 117% 186% 156%

■ 結(jié)束語
實際測量和我們所考慮的其他因素都清楚地顯示出，ArrayList和Vector通常比LinkedList和同步封裝之后的LinkedList有著更好的性能。即使在你認為LinkedList可能提供更高性能的情況下，你也可以通過修改元素加入的方式從ArrayList爭取更好的性能，例如翻轉(zhuǎn)集合元素的次序。

有些情況下LinkedList會有更好的性能，例如，當大量元素需要同時加入到大型集合的開頭和末尾時。但一般而言，我建議你優(yōu)先使用ArrayList/Vector類，只有當它們存在明顯的性能問題而LinkedList能夠改進性能時，才使用LinkedList。