【某大厂一面】数组和链表区别

news2025/1/30 14:02:20

在 Java 中，数组（Array）和链表（LinkedList）是两种常见的数据结构，它们在存储和操作方式上有显著的区别。了解它们的差异有助于选择适合特定应用场景的结构。下面是数组和链表之间的详细比较。

1. 存储结构

数组（Array）

连续内存空间：数组在内存中是一个连续的块，所有元素依次存储在一起。
固定大小：数组的大小在创建时就确定，不能动态调整。创建后不能改变大小（除非重新创建数组并拷贝内容）。
索引访问：数组支持通过索引直接访问任意位置的元素，时间复杂度为 O(1)。

链表（LinkedList）

非连续内存：链表中的元素（节点）并不保存在连续的内存位置。每个节点包含一个数据部分和一个指向下一个节点的引用（对于双向链表，还有指向前一个节点的引用）。
动态大小：链表的大小可以动态变化，不需要预先指定大小。可以在运行时不断添加或删除节点。
逐步访问：访问链表中的元素需要从头节点开始，逐一遍历节点，直到找到目标元素。时间复杂度是 O(n)，其中 n 是链表的长度。

2. 内存使用

数组

内存分配：数组一次性分配连续的内存空间，内存效率较高。但如果数组大小太大，可能会浪费空间；如果大小过小，则可能需要重新分配新的更大数组。
固定大小：一旦数组的大小固定后，就无法扩展。如果数组大小不够，需要创建一个新的数组并将数据复制到新数组中。

链表

内存分配：链表的每个节点都是单独分配内存的，因此内存使用更加灵活。每次新增元素时，只需要分配一个节点的内存。
节点开销：每个节点除了存储数据外，还需要存储指向其他节点的引用，因此链表的内存开销比数组大，尤其是双向链表需要存储两个引用（前向引用和后向引用）。

3. 时间复杂度

数组

访问元素：由于数组支持通过索引直接访问元素，访问时间是常数时间，O(1)。
插入和删除：
- 在数组的末尾插入或删除元素时间复杂度是 O(1)。
- 在数组的中间插入或删除元素时，需要移动后续的元素，时间复杂度是 O(n)。

链表

访问元素：需要从头节点开始遍历，逐个节点查找目标元素，时间复杂度是 O(n)。
插入和删除：
- 在链表的头部插入或删除元素时间复杂度是 O(1)。
- 在链表的中间或末尾插入或删除元素也可以在 O(1) 时间完成，但需要先找到目标位置，找到位置的时间复杂度是 O(n)。

4. 使用场景

数组

优点：
- 直接的索引访问非常高效，适用于查找操作频繁的场景。
- 存储连续的元素，内存管理较简单。
- 适合元素个数已知且不经常变动的场景。
缺点：
- 大小固定，扩展困难（需要重新分配更大的数组）。
- 插入和删除操作较慢，特别是中间的插入和删除，需要大量元素移动。
- 随着元素增多，可能会浪费内存。

链表

优点：
- 动态大小，能方便地进行插入和删除操作，尤其是在头部或尾部插入删除。
- 不需要预先分配固定大小，内存使用更加灵活。
缺点：
- 访问速度较慢，需要逐一遍历节点，不能像数组那样通过索引直接访问。
- 每个节点需要额外存储指向下一个节点的引用，增加了内存开销。

5. 代码示例

数组示例

public class ArrayExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个大小为 5 的数组
        int[] arr = new int[5];
        
        // 向数组中添加元素
        arr[0] = 10;
        arr[1] = 20;
        arr[2] = 30;
        arr[3] = 40;
        arr[4] = 50;
        
        // 通过索引访问元素
        System.out.println("Element at index 2: " + arr[2]);
        
        // 插入元素时需要重新分配数组（手动管理）
    }
}

链表示例（使用 `LinkedList` 类）

import java.util.LinkedList;

public class LinkedListExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个 LinkedList
        LinkedList<Integer> linkedList = new LinkedList<>();
        
        // 向链表中添加元素
        linkedList.add(10);
        linkedList.add(20);
        linkedList.add(30);
        
        // 访问链表中的元素
        System.out.println("First element: " + linkedList.get(0));
        
        // 插入元素
        linkedList.addFirst(5); // 在链表的头部插入元素
        linkedList.addLast(40); // 在链表的尾部插入元素
        
        System.out.println("Linked list: " + linkedList);
        
        // 删除元素
        linkedList.removeFirst(); // 删除头部元素
        linkedList.removeLast();  // 删除尾部元素
        
        System.out.println("After deletion: " + linkedList);
    }
}

6. ArrayList 和 LinkedList 的比较（Java 视角）

在 Java 中，ArrayList 和 LinkedList 都实现了 List 接口，但它们在底层实现上有所不同。ArrayList 使用数组作为存储结构，而 LinkedList 使用双向链表。

ArrayList：
- 支持通过索引快速访问元素。
- 插入和删除元素的时间复杂度通常为 O(n)，特别是在中间位置。
LinkedList：
- 支持快速的插入和删除，特别是在头部或尾部。
- 访问元素时需要遍历链表，访问时间较慢。

7. 总结

特性	数组（Array）	链表（LinkedList）
存储结构	连续的内存空间	每个节点包含数据和指向下一个节点的引用
大小	固定大小	动态大小
访问效率	快速 O(1)	需要遍历，O(n)
插入/删除效率	中间插入/删除 O(n)，尾部 O(1)	插入/删除 O(1)（头尾），查找 O(n)
内存管理	静态分配，可能浪费空间	节点动态分配，内存使用灵活
使用场景	查找操作频繁，大小已知且不变的场景	插入/删除频繁，元素动态变化的场景