图解 ArrayDeque 比 LinkedList 快

在之前的两篇文章中主要分析了 Java 栈的缺点 ，为什么不推荐使用 Java 栈 ，以及 为什么不推荐直接使用 ArrayDeque 代替 Java Stack 。更多内容点击下方链接前去查看。

• 算法动画图解 | 被 “废弃” 的 Java 栈，为什么还在用
• 为什么不推荐 ArrayDeque 代替 Stack

接口 Deque 的子类 ArrayDeque ，作为栈使用时比 Stack 快，因为原来的 Java 的 Stack 继承自 Vector，而 Vector 在每个方法中都加了锁，而 Deque 的子类 ArrayDeque 并没有锁的开销。

接口 Deque 还有另外一个子类 LinkedList。LinkedList 基于双向链表实现的双端队列，ArrayDeque 作为队列使用时可能比 LinkedList 快。

而这篇文章主要来分析，为什么 ArrayDeque 比 LinkedList 快。在开始分析之前，我们需要简单的了解一下它们的数据结构的特点。

接口 Deque

接口 Deque 继承自 Queue 即队列, 在 Java 中队列有两种形式，单向队列（ AbstractQueue ） 和 双端队列（ Deque ），单向队列效果如下所示，只能从一端进入，另外一端出去。

而今天主要介绍双端队列（ Deque ）, Deque 是双端队列的线性数据结构, 可以在两端进行插入和删除操作，效果如下所示。

双端队列（ Deque ）的子类分别是 ArrayDeque 和 LinkedList，ArrayDeque 基于数组实现的双端队列，而 LinkedList 基于双向链表实现的双端队列，它们的继承关系如下图所示。

接口 Deque 和 Queue 提供了两套 API ，存在两种形式，分别为抛出异常，和不抛出异常，返回一个特殊值 null 或者布尔值 ( true | false )。

操作类型	抛出异常	返回特殊值
插入	addXXX(e)	offerXXX(e)
移除	removeXXX()	pollXXX()
查找	element()	peekXXX()

ArrayDeque

ArrayDeque 是基于（循环）数组的方式实现双端队列，数组初始化容量为 16（JDK 8），结构图如下所示。

ArrayDeque 具有以下特点：

• 因为双端队列只能在头部和尾部插入或者删除元素，所以时间复杂度为 O(1)，但是在扩容的时候需要批量移动元素，其时间复杂度为 O(n)
• 扩容的时候，将数组长度扩容为原来的 2 倍，即 n << 1
• 数组采用连续的内存地址空间，所以查询的时候，时间复杂度为 O(1)
• 它是非线程安全的集合

LinkedList

LinkedList 基于双向链表实现的双端队列，它的结构图如下所示。

LinkedList 具有以下特点：

• LinkedList 是基于双向链表的结构来存储元素，所以长度没有限制，因此不存在扩容机制
• 由于链表的内存地址是非连续的，所以只能从头部或者尾部查找元素，查询的时间复杂为 O(n)，但是 JDK 对 LinkedList 做了查找优化，当我们查找某个元素时，若 index < (size / 2)，则从 head 往后查找，否则从 tail 开始往前查找 , 但是我们在计算时间复杂度的时候，常数项可以省略，故时间复杂度 O(n)

Node<E> node(int index) {
    // size >> 1 等价于 size / 2
    if (index < (size >> 1)) {
        // form head to tail
    } else {
        // form tail to head
    }
}

• 链表通过指针去访问各个元素，所以插入、删除元素只需要更改指针指向即可，因此插入、删除的时间复杂度 O(1)
• 它是非线程安全的集合

最后汇总一下 ArrayDeque 和 LinkedList 的特点如下所示：

集合类型	数据结构	初始化及扩容	插入/删除时间复杂度	查询时间复杂度	是否是线程安全
ArrqyDeque	循环数组	初始化：16 扩容：2 倍	0(n)	0(1)	否
LinkedList	双向链表	无	0(1)	0(n)	否

为什么 ArrayDeque 比 LinkedList 快

了解完数据结构特点之后，接下来我们从两个方面分析为什么 ArrayDeque 作为队列使用时可能比 LinkedList 快。

• 从速度的角度：ArrayDeque 基于数组实现双端队列，而 LinkedList 基于双向链表实现双端队列，数组采用连续的内存地址空间，通过下标索引访问，链表是非连续的内存地址空间，通过指针访问，所以在寻址方面数组的效率高于链表。

• 从内存的角度：虽然 LinkedList 没有扩容的问题，但是插入元素的时候，需要创建一个 Node 对象, 换句话说每次都要执行 new 操作，当执行 new 操作的时候，其过程是非常慢的，会经历两个过程：类加载过程 、对象创建过程。

  • 类加载过程

    • 会先判断这个类是否已经初始化，如果没有初始化，会执行类的加载过程
    • 类的加载过程：加载、验证、准备、解析、初始化等等阶段，之后会执行 <clinit>() 方法，初始化静态变量，执行静态代码块等等

  • 对象创建过程

    • 如果类已经初始化了，直接执行对象的创建过程
    • 对象的创建过程：在堆内存中开辟一块空间，给开辟空间分配一个地址，之后执行初始化，会执行 <init>() 方法，初始化普通变量，调用普通代码块

接下来我们通过 算法动画图解 | 被 “废弃” 的 Java 栈，为什么还在用 文章中 LeetCode 算法题：有效的括号，来验证它们的执行速度，以及在内存方面的开销，代码如下所示：

class Solution {
    public boolean isValid(String s) {
    
        // LinkedList VS ArrayDeque
        
        // Deque<Character> stack = new LinkedList<Character>();
        Deque<Character> stack = new ArrayDeque<Character>();
        
        // 开始遍历字符串
        for (int i = 0; i < s.length(); i++) {
            char c = s.charAt(i);
            // 遇到左括号，则将其对应的右括号压入栈中
            if (c == '(') {
                stack.push(')');
            } else if (c == '[') {
                stack.push(']');
            } else if (c == '{') {
                stack.push('}');
            } else {
                // 遇到右括号，判断当前元素是否和栈顶元素相等，不相等提前返回，结束循环
                if (stack.isEmpty() || stack.poll() != c) {
                    return false;
                }
            }
        }
        // 通过判断栈是否为空，来检查是否是有效的括号
        return stack.isEmpty();
    }
}

正如你所看到的，核心算法都是一样的，通过接口 Deque 来访问，只是初始化接口 Deque 代码不一样。

// 通过 LinkedList 初始化     
Deque<Character> stack = new LinkedList<Character>();

// 通过 ArrayDeque 初始化
Deque<Character> stack = new ArrayDeque<Character>();

结果如上所示，无论是在执行速度、还是在内存开销上 ArrayDeque 的性能都比 LinkedList 要好。

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