add 方法的时间比较：ArrayList、LinkedList、ArrayList（用某个值初始化）

Question

我想了解更多关于数据结构及其实现的信息（用 JAVA 语言）。今天我写了一个测试来比较（时间比较）ADT List 的不同实现。具体我比较了add方法，这是我的测试：

@Test
public void testTime() {
    long i = 10000000;
    long INITIALIZED_VALUE=5000000;
    List<Integer> arrayBasedList = new ArrayList<Integer>();
    List<Integer> linkedBasedList = new LinkedList<Integer>();
    List<Integer> arrayBasedInitialedSizeList = new ArrayList<Integer> (INITIALIZED_VALUE);

    long t1 = System.currentTimeMillis();
    for (int index = 0; index <= i; index++) {
        arrayBasedList.add(index);
    }
    long t1End = System.currentTimeMillis() - t1;

    long t2 = System.currentTimeMillis();

    for (int index = 0; index <= i; index++) {
        linkedBasedList.add(index);
    }
    long t2End = System.currentTimeMillis() - t2;

    long t3 = System.currentTimeMillis();
    for (int index = 0; index <= i; index++) {
        arrayBasedInitialedSizeList.add(index);
    }
    long t3End = System.currentTimeMillis() - t3;

    System.out.println("ArrayBased: " + t1End);
    System.out.println("LinkedList:" + t2End);
    System.out.println("ArrayBasedInitializedSize: " + t3End);

    System.out.println("End");
}

我得到了这个结果：

ArrayBased: 5681 LinkedList:12830 ArrayBasedInitializedSize: 858

为什么 LinkedList 比 ArrayList 实现慢？我认为用于 LinkedList 实现的 add 方法比用于 Array 实现的 add 方法快。

谁能解释一下为什么数组的add方法比linkedlist快？

谢谢

阿莱西奥

Answer 1

这里有两件事。

首先是您的时间不可靠，因为您没有在每次运行之前“预热”代码。 Java 在运行时优化和编译代码，因此前几次通过它比以后运行慢得多。你应该运行你的测试循环几百次，把这些结果扔掉，然后做计时。

回答这个问题：

LinkedList 是恒定的时间，无论列表有多长，但每次添加它都必须做更多的工作。它需要创建包装对象，将其插入列表，更新引用等。

另一方面，ArrayList 只是在数组中设置一个值，然后递增大小计数器。只有当它需要重新分配数组时，它才需要做很多工作。

在开始时添加新对象进行测试并比较结果，您会发现事情更倾向于链表，因为现在ArrayList 每次都需要重新排列所有值。

在您的第三个测试中也说明了重新分配数组的成本，通过提前知道 ArrayList 的大小，它变得更加高效。

大 O 表示法在讨论算法时很有帮助，但您需要了解它的实际含义，否则可能会产生误导。它谈论的是操作的顺序，而不是实际需要多长时间。对于大多数追加插入，ArrayList 和 LinkedList 都是 O(1)，如果需要重新分配，ArrayList 插入是 O(n)。

所有 O(1) 都表明，无论列表中有多少对象，它仍然需要相同的时间。在 10 项列表、100 项列表、10000 项列表的末尾添加一些内容仍然需要相同的时间。

LinkedList 虽然比 ArrayList 花费更多时间 - 即使它们仍然具有相同的 O(1) 顺序。

事实上，速度差异是这样的，即使您查看添加到 LinkedList 为 O(1) 且 ArrayList 为 O(n) 的列表的开头，对于小型列表，ArrayList 仍然更快！

给出一些想法（这只是一个示例，不要尝试从中获取确切的时间！）然后如果添加 LinkedList 所需的时间是 L 并且 ArrayList 的时间是 A 那么总最后做加法的时间是 L*1, A*1。开头加的是L*1, A*N。

因此，如果 L/A

（如果您需要随机访问读取，链表也是 O(n)，这也是一个很大的因素）。

Answer 2

我对您的结果感到惊讶，并尝试自己运行您的代码。这是我的输出：

ArrayBased: 5589
LinkedList:1219
ArrayBasedInitializedSize: 789
End

我认为，LinkedList 的 add 方法应该比 ArrayList 慢一点（都是 O(1)，但常数不同）。它们都创建新的 Integer 对象，而 ArrayList 只是将它们放入数组中，而 LinkedList 则创建链接。

ArrayBased 和 ArrayBasedInitializedSize 的区别很明显：数组重新分配和元素复制需要太多时间。

Answer 3

简而言之：对 ArrayList 的添加操作比对 LinkedList 更快，因为它涉及（读取、写入、更新）更少的内存位置：

• ArrayList：更新int size字段，读取Object[] elements字段，读取elements.length，写入索引处的elements。

• LinkedList：更新int size字段，更新Entry tail字段，分配新的Entry，写入新条目的prev和element字段，写入tail.next字段。

更精确的时间安排：

@GenerateMicroBenchmark
public int arrayList_add() {
    List<Object> list = new ArrayList<>(1000);
    Object x = new Object();
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        list.add(x);
    }
    return list.size();
}

@GenerateMicroBenchmark
public int linkedList_add() {
    List<Object> list = new LinkedList<>();
    Object x = new Object();
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        list.add(x);
    }
    return list.size();

结果：

Benchmark             Mean   Mean error    Units
arrayList_add        5,234        0,019  usec/op
linkedList_add       6,417        0,032  usec/op