Чем отличается ArrayList от LinkedList? В каких случаях лучше использовать первый, а в каких второй?

ArrayList это список, реализованный на основе массива, а LinkedList — это классический двусвязный список, основанный на объектах с ссылками между ними.

ArrayList:
• доступ к произвольному элементу по индексу за константное время O(1);
• доступ к элементам по значению за линейное время O(N);
• вставка в конец в среднем производится за константное время O(1);
• удаление произвольного элемента из списка занимает значительное время т.к. при этом все элементы, находящиеся «правее» смещаются на одну ячейку влево (реальный размер массива (capacity) не изменяется);
• вставка элемента в произвольное место списка занимает значительное время т.к. при этом все элементы, находящиеся «правее» смещаются на одну ячейку вправо;
• минимум накладных расходов при хранении.

LinkedList:
• на получение элемента по индексу или значению потребуется линейное время O(N);
• на добавление и удаление в начало или конец списка потребуется константное O(1);
• вставка или удаление в/из произвольного место константное O(1);
• требует больше памяти для хранения такого же количества элементов, потому что кроме самого элемента хранятся еще указатели на следующий и предыдущий элементы списка.

В целом, LinkedList в абсолютных величинах проигрывает ArrayList и по потребляемой памяти, и по скорости выполнения операций. LinkedList предпочтительно применять, когда нужны частые операции вставки/удаления или в случаях, когда необходимо гарантированное время добавления элемента в список.

Каким будет результат выполнения следующей программы?

Какое худшее время работы метода contains() для элемента, который есть в LinkedList?

O(N). Время поиска элемента линейно пропорционально количеству элементов в списке.

Что выведет следующий код?

Как происходит удаление элементов из ArrayList? Как меняется в этом случае размер ArrayList?

При удалении произвольного элемента из списка, все элементы, находящиеся «правее» смещаются на одну ячейку влево и реальный размер массива (его емкость, capacity) не изменяется никак. Механизм автоматического «расширения» массива существует, а вот автоматического «сжатия» нет, можно только явно выполнить «сжатие» командой trimToSize().

Оцените количество памяти на хранение одного примитива типа byte в LinkedList?

Каждый элемент LinkedList хранит ссылку на предыдущий элемент, следующий элемент и ссылку на данные.

 static class Node<E> {
        E item;
        Node<E> next;
        Node<E> prev;
//...
}

Для 32-битных систем каждая ссылка занимает 32 бита (4 байта). Сам объект (заголовок) вложенного класса Node занимает 8 байт. 4 + 4 + 4 + 8 = 20 байт, а т.к. размер каждого объекта в Java кратен 8, соответственно получаем 24 байта. Примитив типа byte занимает 1 байт памяти, но в JCF примитивы упаковываются: объект типа Byte занимает в памяти 16 байт (8 байт на заголовок объекта, 1 байт на поле типа byte и 7 байт для кратности 8). Также напомню, что значения от -128 до 127 кэшируются и для них новые объекты каждый раз не создаются. Таким образом, в x32 JVM 24 байта тратятся на хранение одного элемента в списке и 16 байт - на хранение упакованного объекта типа Byte. Итого 40 байт.

Для 64-битной JVM каждая ссылка занимает 64 бита (8 байт), размер заголовка каждого объекта составляет 16 байт (два машинных слова). Вычисления аналогичны: 8 + 8 + 8 + 16 = 40байт и 24 байта. Итого 64 байта.

Оцените количество памяти на хранение одного примитива типа byte в ArrayList?

ArrayList основан на массиве, для примитивных типов данных осуществляется автоматическая упаковка значения, поэтому 16 байт тратится на хранение упакованного объекта и 4 байта (8 для x64) - на хранение ссылки на этот объект в самой структуре данных. Таким образом, в x32 JVM 4 байта используются на хранение одного элемента и 16 байт - на хранение упакованного объекта типа Byte. Для x64 - 8 байт и 24 байта соответственно.

Для ArrayList или для LinkedList операция добавления элемента в середину (list.add(list.size()/2, newElement)) медленнее?

Для ArrayList:
• проверка массива на вместимость. Если вместимости недостаточно, то увеличение размера массива и копирование всех элементов в новый массив (O(N));
• копирование всех элементов, расположенных правее от позиции вставки, на одну позицию вправо (O(N));
• вставка элемента (O(1)).

Для LinkedList:
• поиск позиции вставки (O(N));
• вставка элемента (O(1)).

В худшем случае вставка в середину списка эффективнее для LinkedList. В остальных - скорее всего, для ArrayList, поскольку копирование элементов осуществляется за счет вызова быстрого системного метода System.arraycopy().

В реализации класса ArrayList есть следующие поля: Object[] elementData, int size. Объясните, зачем хранить отдельно size, если всегда можно взять elementData.length?

Размер массива elementData представляет собой вместимость (capacity) ArrayList, которая всегда больше переменной size - реального количества хранимых элементов. При необходимости вместимость автоматически возрастает.