Что будет если объединить ArrayList и LinkedList?

в 16:36, , рубрики: arraylist, collections, java, java core, list, nkedlist, скорость работы, список, сравнение, структуры данных

Приветствую вас!
После изучения коллекций, а именно такие реализации List, как ArrayList и LinkedList, возникла идея, а почему бы не объединить эти структуры данных в одну и посмотреть, что из этого получится.

Зачем это нужно?

  • Проблема ArrayList — у него есть начальный размер по умолчанию DEFAULT_CAPACITY или заданный размер initialCapacity, при превышении этого размера, создается новый массив большего размера, при этом туда копируются данные из старого массива, что по времени очень затратно и именно это дает в наихудшем случае алгоритмическую сложность O(n)
  • Проблема LinkedList — здесь наоборот, добавить новый элемент, это всего лишь добавить новую связь (создать еще одну Node и добавить ссылку на неё), но операция получения элемента по индексу очень затратна, т.к. нужно будет пройтись по всему списку от начала, что очень затратно и дает O(n)

Решение

Что если создать такую структуру данных, при которой вставка и получение любого элемента будет за константное время. Буду использовать технологию ArrayList без пересоздания массива, что конечно же проигрывает по памяти, но выигрывает в скорости, т.к. память дешевая и её очень много, выигрыш в производительности считаю приоритетным.
Для того чтобы связать их между собой, буду использовать двусвязный список:
Что будет если объединить ArrayList и LinkedList? - 1

Реализация

Перейдем непосредственно к исходному коду:

public class Node<T> {
    Node prev;
    Node next;
    T[] value;

    public Node(Node prev, Node next, T[] value) {
        this.prev = prev;
        this.next = next;
        this.value = value;
    }
}

Для начало создадим стандартную структуру двусвязного списка, где value — это массив значений.
Далее перейдем к конкретной реализации класса, объявим необходимые переменные:

public static int INIT_CAPACITY = 100;
private Object[] arr = new Object[INIT_CAPACITY];
private int index = 0;
private int level = 0;
private Node<T> first = new Node<>(null, null, (T[]) arr);
private Node last = first;
private Node current = null;
private int size = 0;

Здесь INIT_CAPACITY — начальный размер массива, его можно переопределить в соответствующем конструкторе, arr — собственно сам массив, переменная index — понадобится для расчета индекса, level — для расчета уровня, далее подробно будет рассказано для чего это нужно, first — ссылка на первый элемент списка,
last — ссылка на последний элемент списка, current — ссылка на текущий элемент списка (последней выборки), так можно ускорить выборку подряд идущих элементов или близ — лежащих к ним, size — размер (или количество данных).
Зададим 2 коструктора — по умолчанию и для изменения начального размера:

public MyLinkedList() {
    first.next = last.next;
}
public MyLinkedList(int size) {
    INIT_CAPACITY = size;
    arr = new Object[INIT_CAPACITY];
    first.next = last.next;
}

Добавление элемента:

public void add(T i) {
    if (index == INIT_CAPACITY) {
        arr = new Object[INIT_CAPACITY];
        last.next = new Node<>(last, null, (T[]) arr);
        index = 0;
        last = last.next;
    }
    arr[index] = i;
    index++;
    size++;
}

Здесь проверяем условие, если массив заполнен, то создаем новый и запоминаем ссылку на него.
Получение элемента:

public T get(int i) {
    T value;
    int level = i / INIT_CAPACITY;
    int index = i % INIT_CAPACITY;
    if (this.current == null) {
        this.level = 0;
        this.current = first;
    }
    if(this.level > level)
        for (int j = this.level; j < level; j++) {
            this.level = level;
            current = current.prev;
        }
    else
        for (int j = this.level; j < level; j++) {
            this.level = level;
            current = current.next;
        }
    value = (T) current.value[index];
    return value;
}

Уровни это количество массивов в списке, т.е на 0-м уровне 1 массив, на 1-м уровне 2 массива и т.д.,index — это индекс текущего уровня 0..INIT_CAPACITY, также у нас есть ссылка на текущий элемент списка current, который был получен из предыдущей выборки, т.е. если новый уровень больше предыдущего, то идем вперед от текущего элемента и если наоборот, то назад. Также добавил 2 быстрые операции — получение первого и последнего элемента:

public T getFirst(){
    return first.value[0];
}
public T getLast() {
    return (T) last.value[(size-1) % INIT_CAPACITY];
}

Первый и последний элемент получить также просто и быстро, как в массиве.
Операция удаления последнего элемента — быстрее всего это затирать значение null-ом, если весь массив становится заполненным null-ми, то теряем ссылку на него и garbage collector все почистит:

public void removeLast(){
    if (last.value[0] == null) {
        last = last.prev;
        index=INIT_CAPACITY-1;
    }
    last.value[(size-1) % INIT_CAPACITY]=null;
    size--;
    index--;
}

Получение размера — очевидно. Также был добавлен итератор, т.е. этот класс имплементирует Iterable и реализует метод iterator

private Node<T> first;
private int index = -1;
public MyLinkedListIterator(Node<T> first) {
    this.first = first;
}

@Override
public boolean hasNext() {
   index++;
   return first != null;
}

@Override
public T next() {
    T value;
    int index = this.index % INIT_CAPACITY;
    value= first.value[index];
    if(index==INIT_CAPACITY-1||this.first.value[index+1]==null)
        first=first.next;
    return value;
}

Время работы

Возможно корректность способа замера оставляет желать лучшего, но делал это так:

long start = System.currentTimeMillis();
// операция add и операция get - с начала, конца и середины списка
// N - кол-во элементов
long finish = System.currentTimeMillis();
long time = finish - start;

Делал по 3 запуска и брал среднее, возьмем 100 тысяч элементов:

N=100000 Вставка в конец Получение первого Получение среднего Получение последнего
MyDeque 8 0 4 0
ArrayDeque 10 2 - 2
ArrayList 50 2 4 3
LinkedList 30 4 86214 4

Возьмем миллион элементов:

N=1000000 Вставка в конец Получение первого Получение среднего Получение последнего
MyDeque 203 2 26 7
ArrayDeque 262 11 - 15
ArrayList 340 13 17 12
LinkedList 486 23 >100000 25

И наконец, возьмем 10 миллионов элементов:

N=10000000 Вставка в конец Получение первого Получение среднего Получение последнего
MyDeque 2410 31 26 71
ArrayDeque 4628 322 - 111
ArrayList 4796 115 17 120
LinkedList OutOfMemoryError: Java heap space

Вывод

Что будет если объединить ArrayList и LinkedList? - 2

Из графика видно, что с увлечением количества элементов в коллекции, скорость работы популярного ArrayList уступает моей структуре.

В сухом остатке, получили очередь LIFO, которая работает быстрее, чем обычная Deque. В дальнейшем планируется реализовать такие операции как вставка и удаление из любого места без потери производительности, уже есть кое-какие наработки по этому поводу, на данном этапе хотелось бы получить обратную связь и увидеть заинтересованность сообщества для дальнейшей работы над новой структурой данных.

Проект можно посмотреть по ссылке

Автор: sertokinson

Источник

Поделиться

* - обязательные к заполнению поля