源码视角深入ArrayList与LinkedList：Java.util内部机制揭秘

# 1. 数组列表ArrayList的工作原理

## 1.1 ArrayList基础概念
ArrayList是Java集合框架中的一部分，它基于动态数组的数据结构实现。相比数组，ArrayList具有动态扩容的特性，即能够根据数据量的增加自动扩展容量。这一特性使得ArrayList在处理大小不固定的数据集合时变得异常灵活。

## 1.2 数组列表的动态扩展机制
当ArrayList中的元素数量达到当前容量的上限时，ArrayList会进行扩容操作，一般会创建一个新的数组，并将原有元素复制到新数组中，然后将新元素添加进去。这个过程涉及到了对象的复制和移动，因此在性能上需要特别考虑。

## 1.3 ArrayList中的常用方法
ArrayList提供了丰富的API，例如add、get、set、remove等。每个方法的实现都与数组的操作息息相关。add方法通常涉及数组的扩容和元素的复制，get和set方法则直接访问指定位置的元素，而remove方法可能涉及到元素的移动和数组的缩减。

为了更深入地理解ArrayList的工作机制，我们可以查看以下示例代码，这个示例展示了ArrayList初始化和动态扩容的过程：

import java.util.ArrayList;

public class ArrayListDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<String> list = new ArrayList<>(); // 初始容量为10
        list.add("Element 1");
        list.add("Element 2");
        // ...添加更多元素...
    }
}

通过以上代码和解释，我们已经能够对ArrayList的基本概念有所了解。接下来，我们将深入探讨其内部实现细节，以便更好地掌握其工作原理。

# 2. 链表 LinkedList 的内部结构

链表（LinkedList）是数据结构中不可或缺的一部分，它由一系列节点组成，每个节点包含数据域和指向下一个节点的引用。在Java中，LinkedList通过其内部类Node实现，下面将深入探讨 LinkedList 的内部结构。

## 2.1 LinkedList节点的构建

LinkedList的数据结构主要由一系列的节点构成。每个节点Node都包含三个部分：

- 数据域：用来存储数据元素。
- next指针：指向下一个节点的引用。
- prev指针：仅在双向链表中存在，指向它的前一个节点。

private static class Node<E> {
    E item;
    Node<E> next;
    Node<E> prev;

    Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
        this.item = element;
        this.next = next;
        this.prev = prev;
    }
}

上面的Java代码是LinkedList内部类Node的定义。这里每个Node节点都有三个属性，分别是存储数据的item，指向下一个节点的next，以及在双向链表中用于指向前一个节点的prev。

### LinkedList的数据结构设计

LinkedList可以是单向的也可以是双向的。在Java中，LinkedList是双向链表的实现，它允许从任何方向遍历，增强了链表的灵活性。

#### 2.1.1 单向链表

单向链表只有一个方向的遍历能力，即只能从头节点遍历到尾节点。单向链表的节点通常包含数据域和指向下一个节点的next引用。

#### 2.1.2 双向链表

双向链表是节点间双向连接的链表，每个节点除了拥有指向下一个节点的next引用，还有指向前一个节点的prev引用。这样使得链表在插入、删除等操作中更加灵活和高效。

### LinkedList的初始化

LinkedList类在初始化时，会创建一个头节点（head）和尾节点（tail），初始时它们指向自己。这意味着当链表为空时，head和tail的next和prev都指向自身。

public LinkedList() {
    head = tail = new Node<>(null, null, null);
}

### LinkedList的遍历过程

遍历LinkedList需要从头节点开始，逐个访问每个节点的next引用，直到到达尾节点。由于LinkedList是双向链表，也可以从尾节点开始向前遍历。

## 2.2 LinkedList的增删查改操作

LinkedList是基于节点的动态数据结构，可以灵活地在链表的任意位置进行插入和删除操作，这使得它在某些方面比ArrayList更加高效。

### 2.2.1 添加元素

在LinkedList中添加元素可以发生在链表的任意位置，包括头、尾或链表中间。添加元素涉及修改节点的next或prev引用。

- 在链表头部添加元素：

public boolean addFirst(E e) {
    linkFirst(e);
    return true;
}

private void linkFirst(E e) {
    final Node<E> f = head;
    final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
    head = newNode;
    if (f == null)
        tail = newNode;
    else
        f.prev = newNode;
    size++;
    modCount++;
}

上述代码展示了LinkedList中在链表头部添加元素的操作。当链表为空时，新添加的元素成为唯一的节点，同时head和tail指向这个节点。如果链表非空，新节点成为新的头节点，并更新旧头节点的prev引用。

### 2.2.2 删除元素

在LinkedList中，删除操作包括删除头节点、尾节点或链表中间的节点。删除操作通常会改变相邻节点的next或prev引用。

- 删除头节点：

public E removeFirst() {
    final Node<E> f = head;
    if (f == null)
        throw new NoSuchElementException();
    return unlinkFirst(f);
}

private E unlinkFirst(Node<E> f) {
    final E element = f.item;
    final No