ArrayList实现原理(JDK1.8)

2019-11-30 16:03:14来源:博客园 阅读 ()

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ArrayList实现原理(JDK1.8)

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable

ArrayList 继承于AbstractList,实现了List接口,其实AbstractList 已经实现过List接口,这里重复实现使得接口功能更加清晰,JDK中很多类都是如此。

其中Cloneable接口是克隆标记接口,Serializable序列化标记接口,需要clone和序列化功能必须实现这两个接口,而RandomAccess,单纯是一个标志接口 ,该接口表示该类支持快速随机访问,且在循环遍历时for循环的方式会优于用迭代器。

1.成员变量

   // 默认初始容量
   private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

   // 空数组实例,初始容量为0或者传入集合为空集合(不是null)时使用
   private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
   
   // 空数组示例,无参构造时使用
   private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
   
   // ArrayList内部数据容器
   transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
   
   // 实际元素数量
   private int size;

在ArrayList中,主要有五个成员变量。DEFAULT_CAPACITY表示初始容量大小,即在我们初始化ArrayList时不指定容量大小, 默认容量将会是10,Object[] elementData 则是ArrayList内部实际存储对象的容易,也就是我们常说的ArrayList是数组实现的。

在1.8中,空数组分为了两类情况,EMPTY_ELEMENTDATA 与 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA,在标记空数组的时候区分了不同的情况。

2.构造方法

ArrayList有三个构造方法,指定容量的ArrayList(int initialCapacity) ,无参构造ArrayList() 以及传入集合的ArrayList(Collection<? extends E> c)。

    public ArrayList() {
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }

最简单的莫过于无参构造,直接赋值为空数组DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA。其实对于常说的默认容量10,是在第一次添加元素调用add()方法时处理的,并不是构造方法中。

    public ArrayList(int initialCapacity) {
        if (initialCapacity > 0) {
            this.elementData = new Object[initialCapacity];
        } else if (initialCapacity == 0) {
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        } else {
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                    initialCapacity);
        }
    }

对于传入容量的构造方法,当传入参数 > 0时,直接初始化对应容量的数组,参数类型为int,也即ArrayList的最大初始容量不能超过Integer.MAX_VALUE,事实上ArrayList的最大容量也只能是Integer.MAX_VALUE。而初始容量传入0,会赋值为空数组EMPTY_ELEMENTDATA。如果 < 0,这个显然的不允许了,直接IllegalArgumentException

    public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
        elementData = c.toArray();
        if ((size = elementData.length) != 0) {
            // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
            if (elementData.getClass() != Object[].class)
                elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
        } else {
            // replace with empty array.
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        }
    }

集合构造时,没有进行null校验,也就是说如果传入null,直接就会NPE异常。集合构造的逻辑也很简单,当传入集合不为空时,调用Arrays.copyOf进行复制,并且容量 size为传入大小,而传入集合为空,则赋值为空数组EMPTY_ELEMENTDATA。

3.添加元素

ArrayList在添加元素时,都会进行容量确认,可能会涉及到扩容,数组复制,所以效率相对较低。同时在添加元素时,ArrayList并未对元素本身进行校验,所以是允许集合中存在null的情况。

3.1.尾部添加元素
    public boolean add(E e) {
        // 确定容量
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        // 设值
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }

在add()方法中,最主要的是确定容量ensureCapacityInternal(int minCapacity)方法。

    private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
    }

首先会调用calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) 计算容量然后再ensureExplicitCapacity(int minCapacity)

    private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
            return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }
        return minCapacity;
    }

这里仅仅判断了是否是空数组DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA(== 地址比较),如果前面还有印象的话,这个只会在无参构造时,才会初始化为DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA,这时候会取DEFAULT_CAPACITY(10)与传入minCapacity的较大值,常说的默认容量大小10也就是在这里诞生的。

而其他的情况,都直接但会minCapacity,也即 size + 1,如果首次添加,那就是1。

    private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        modCount++;
        // overflow-conscious code
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
    }

modCount是一个操作计数器,add与remove都会 + 1。当我们需要在循环中删除ArrayList元素时,需要使用迭代器Iterator的remove()方法,此时直接使用List的删除有针对modCount的校验,会抛出 ConcurrentModificationException异常。

如果minCapacity大于数组容量,则调用grow(int minCapacity)进行扩容。

    private void grow(int minCapacity) {
        // overflow-conscious code
        int oldCapacity = elementData.length;
        // 新容量增长 0.5倍
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            newCapacity = minCapacity;
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0) // MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8
            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
        // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }

扩容时,新的容量为原容量 + 原容量的一半,也就是0.5倍增长。如果增长后的新容量比计算出来的容量minCapacity小,则赋值为minCapacity,如果大于MAX_ARRAY_SIZE(Integer.MAX_VALUE - 8),则进入hugeCapacity(int minCapacity)方法。

    private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
        if (minCapacity < 0) // overflow
            throw new OutOfMemoryError();
        return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
            Integer.MAX_VALUE :
            MAX_ARRAY_SIZE;
    }

这里可以看到,当minCapacity < 0 时,会产生OutOfMemoryError,这是一个Error子类,这是需要避免的。什么时候minCapacity会小于0呢,当ArrayList大小为Integer.MAX_VALUE后,还需要扩容,则会发生错误。

这个方法,我们可以看出,当ArrayList需要的容量首次大于MAX_ARRAY_SIZE时,会设置为MAX_ARRAY_SIZE,然后再次扩容时会变成Integer.MAX_VALUE,如果还不够,那就会发生错误。

扩容的最后一步是调用Arrays.copyOf进行元素的复制,这个最终也是调用System.arraycopy进行操作的。同时size++,实际元素的数量也增加 1。

3.2.中间添加元素
    public void add(int index, E element) {
        rangeCheckForAdd(index);
        // 确认容量大小
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index);
        elementData[index] = element;
        size++;
    }

在中间添加元素的逻辑和尾部添加元素基本一样。

    private void rangeCheckForAdd(int index) {
        if (index > size || index < 0)
            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
    }

添加元素前,首先要进行范围检查,添加的范围只能在[0,size]之间,index == size时,其实就是尾部插入。然后确认容量新的容量,这个方法尾部添加时已经讲过,接着数组复制,这步复制会跳过index位置的处理,最后再对index位置赋值,即完成了index位置的添加。

可以看到最后调用了size++,add(int index, E element)方法总是会添加元素,即使该index位置存在数据,只是会将原来的index位置数据往后挤动一位,并不会进行覆盖。

3.3.批量添加

ArrayList除了add()与add(int index, E element),还有两个批量添加的方法。

    public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
        Object[] a = c.toArray();
        int numNew = a.length;
        // 确认容量
        ensureCapacityInternal(size + numNew);  // Increments modCount
        System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
        size += numNew;
        return numNew != 0;
    }

    public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
        // 范围检查
        rangeCheckForAdd(index);
        Object[] a = c.toArray();
        int numNew = a.length;
        // 确认容量
        ensureCapacityInternal(size + numNew);  // Increments modCount
        int numMoved = size - index;
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew, numMoved);
        System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);
        size += numNew;
        return numNew != 0;
    }

有了前面单个元素的添加基础,批量添加就很好懂了,唯一的区别就是在数组复制时,是复制整个待添加的集合。对于index位置的批量添加,中间插入的话(numMoved > 0),第一次复制会腾出中间要添加集合长度的位置,第二次将添加的集合复制到index位置。

4.修改元素

对于ArrayList中元素的修改,如果是对象属性的修改,可以直接修改引用对象,但对于基本类型包装类或者String呢,并没有办法通过引用修改,亦或者我们要更换对象引用,这时候就需要调用set(int index, E element)。

    public E set(int index, E element) {
        // 范围检查
        rangeCheck(index);
        E oldValue = elementData(index);
        elementData[index] = element;
        return oldValue;
    }

这个方法实现很容易,ArrayList的修改本质就是对数组的值进行更改。首先进行范围检查,防止数组越界,这个很好理解,ArrayList内部就是数组,然后对index位置的值进行替换即可。

    private void rangeCheck(int index) {
        if (index >= size)
            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
    }

elementData(int index)获取了原来的值,用于set返回值,elementData实现更加简单,就是数组取值。

5.移除元素

ArrayList中移除元素的方法有三个,按索引删除remove(int index)、按元素删除remove(Object o)以及批量删除removeAll(Collection<?> c)等。

5.1.索引删除
    public E remove(int index) {
        // 范围检查
        rangeCheck(index);
        modCount++;
        E oldValue = elementData(index);
        int numMoved = size - index - 1;
        // 是否删除的最尾部
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
        elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
        return oldValue;
    }

由于移除元素,并不涉及内部数组大小变化,所以实现相对较简单。必须要的范围检查,这个已经丝毫不陌生了,然后判断是否是尾部删除,如果不是尾部删除,则进行System.arraycopy复制,复制的目的是将index后的元素向前挪动 1 位元素以覆盖要删除的index位置,然后size减 1。

在移除方法中,可以看到modCount进行增加。同时对移除后尾部的元素赋值为null了,让GC生效。

5.2.按元素删除
    public boolean remove(Object o) {
        if (o == null) {
            for (int index = 0; index < size; index++)
                if (elementData[index] == null) {
                    fastRemove(index);
                    return true;
                }
        } else {
            for (int index = 0; index < size; index++)
                if (o.equals(elementData[index])) {
                    fastRemove(index);
                    return true;
                }
        }
        return false;
    }

按元素删除的时候,首先判断了元素是否为null,因为ArrayList中是可以添加null的,这里不同分支的逻辑是一样的,都是遍历集合比较是否和传入元素相同,只是比较一个是 == null 一个是 equals。如果相同则删除,然后return了,所以remove(Object o)方法只会删除集合第一个与传入对象相同的元素。

重点就是这个fastRemove了。

    private void fastRemove(int index) {
        modCount++;
        int numMoved = size - index - 1;
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
        elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
    }

看到这个方法第一感觉是什么?是不是似曾相识,没错,fastRemove和按指针删除基本上市一样的,只是少了范围校验和获取删除前的元素这两步。

5.3.批量删除
    public boolean removeAll(Collection<?> c) {
        Objects.requireNonNull(c);
        return batchRemove(c, false);
    }

对于removeAll(Collection< ? > c),校验非空后调用了batchRemove(Collection< ? > c, boolean complement)。

    private boolean batchRemove(Collection<?> c, boolean complement) {
        final Object[] elementData = this.elementData;
        int r = 0, w = 0;
        boolean modified = false;
        try {
            for (; r < size; r++)
                // 找出不需要移除的元素,放在数组的前面
                if (c.contains(elementData[r]) == complement)
                    elementData[w++] = elementData[r];
        } finally {
            // Preserve behavioral compatibility with AbstractCollection,
            // even if c.contains() throws.
            if (r != size) {
                System.arraycopy(elementData, r, elementData, w, size - r);
                w += size - r;
            }
            if (w != size) {
                // clear to let GC do its work
                for (int i = w; i < size; i++)
                    elementData[i] = null;
                modCount += size - w;
                size = w;
                modified = true;
            }
        }
        return modified;
    }

这个方法看着可能有一点点绕,但明白其原理后就很清晰了,首先遍历数组,找出在要移除数组中不包含的元素,从原数组头部开始放,这样的数有w个,即最终数组前w个元素都是在集合c中包含的,而剩下的位置的元素则不关心,最后就是讲w到size的元素赋值为null,以便GC工作。

6.循环删除

前面也提到了,ArrayList在循环删除时会报错,这个究竟是怎么回事呢?

如果我们想删除一个集合中全部的某一个元素,例如下面集合ss中的a元素。

        List<String> ss = new ArrayList<>();
        ss.add("a");
        ss.add("b");
        ss.add("a");
        ss.add("b");
        ss.add("c");

当我们需要删除一个时,我们可以调用remove方法删除,根据索引或者根据元素都用,但是多个时,我们不知道每一个元素的索引,而根据值也不知道有多少个a存在,所以我们需要遍历集合。

这时候就可能存在问题了。

        for (String s : ss) {
            if("a".equals(s)){
                ss.remove(s);
            }
        }

无论是fori的还是foreach的删除,都会抛出java.util.ConcurrentModificationException,这是因为Arraylist循环时每一次取值都会调用其内部类Itr.next()方法。

        public E next() {
            // 校验modCount
            checkForComodification();
            int i = cursor;
            if (i >= size)
                throw new NoSuchElementException();
            Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
            if (i >= elementData.length)
                throw new ConcurrentModificationException();
            cursor = i + 1;
            return (E) elementData[lastRet = i];
        }

在该方法最开始的地方,有校验modCount的checkForComodification()方法,这个方法中比较了modCount和expectedModCount,不相等就会抛出ConcurrentModificationException异常。

        final void checkForComodification() {
            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
        }

那expectedModCount到底是什么,为什么和modCount不相等呢。

    private class Itr implements Iterator<E> {
        int cursor;       // index of next element to return
        int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such
        int expectedModCount = modCount;

expectedModCount是Itr的成员变量,这个在进行循环时会初始化赋值为modCount,最开始的时候他们是相等的,经过前面的探究,我们已经知道在remove调用时modCount会自增,所以checkForComodification就会抛出异常。

而我们常使用的这个做法就是使用 Itr 的remove。

        Iterator<String> it = ss.iterator();
        while (it.hasNext()){
            if("a".equals(it.next())){
                it.remove();
            }
        }

这样删除时就没有任何问题了,这是因为 Itr 的remove中,对expectedModCount进行了重新赋值,使得每一次调用后值都相等。

        public void remove() {
            if (lastRet < 0)
                throw new IllegalStateException();
            checkForComodification();
            try {
                // 调用ArrayList的删除
                ArrayList.this.remove(lastRet);
                cursor = lastRet;
                lastRet = -1;
                // expectedModCount重新赋值
                expectedModCount = modCount;
            } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
                throw new ConcurrentModificationException();
            }
        }

7.其他方法

ArrayList中主要的就是构造方法、add和remove了,这几个方法看懂后,其他方法实现就比较清晰了。

比如get方法,其实就是根据索引获取了数组的元素。

    public E get(int index) {
        // 范围检查
        rangeCheck(index);
        // 从数组获取值,即 elementData[index]
        return elementData(index);
    }

例如size方法, 就是返回了size属性的值。

    public int size() {
        return size;
    }

而isEmpty方法,就是判断size是否为0.

    public boolean isEmpty() {
        return size == 0;
    }

在ArrayList中,有一个获取子集合的subList方法,这个方法返回的是一个内部类SubList,该类并没重新创建新的数组,依旧持有了ArrayList数组的元素的引用,所以当修改ArrayList元素的时候,SubList的元素也会跟着修改,这个在实际开发中一定要注意。

    public List<E> subList(int fromIndex, int toIndex) {
        subListRangeCheck(fromIndex, toIndex, size);
        return new SubList(this, 0, fromIndex, toIndex);
    }

原文链接:https://www.cnblogs.com/imyanger/p/11963624.html
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