ArrayList源码阅读笔记

news2024/11/15 10:24:50

1. 基础知识

1.1 概念

  1. ArrayList是可以动态增长和缩减的索引序列，它是基于数组实现的List类。
  2. 该类封装了一个动态再分配的Object[]数组，每个对象都有一个capacity属性，表示它们所封装的Object[]数组长度，当向ArrayList中添加元素时，该属性会自动增加。
    如果向ArrayList中添加大量元素，可使用ensureCapacity()方法一次性增加capacity，可以减少增加重分配的次数提高性能。
  • ArrayList的用法和Vector相似，但Vector是一个较老的集合，具有很多缺点，不建议使用。
    ArrayList和Vector的区别是：ArrayList是线程不安全的，当多个线程访问同一个ArrayList集合时，程序需要手动保证该集合的同步性，而Vector是线程安全的。可以使用CopyOnWriteArrayList。

1.2 继承关系

在这里插入图片描述
由上图可知最根部就是实现了Collection接口，下面我们从ArrayList的角度来分析一下继承关系：
在这里插入图片描述
上面这张图可以很清晰的看出ArrayList实现了四个接口一个抽象类：继承AbstractList抽象类、实现了List、RandomAccess、Cloneable、Serializable接口。

  • 继承AbstractList， 实现了List。它是一个数组，提供了相关的增、删、修改、遍历等功能。
  • RandomAccess接口:这个是一个标记性接口，通过查看api文档，它的作用就是用来快速随机存取，有关效率的问题，在实现了该接口的话，那么使用普通的for循环来遍历，性能更高，例如ArrayList。
  • Cloneable接口：实现了该接口，就可以使用Object.Clone()方法了。
  • Serializable接口：实现该序列化接口，表明该类可以被序列化，什么是序列化？简单的说，就是能够从类变成字节流传输，然后还能从字节流变成原来的类。

1.3 特点

  1. ArrayList底层是一个动态扩容的数组结构，初始容量为10，每次容量不够的时候，扩容需要增加1.5倍的容量（当通过addAll()方法添加数据时有可能不是1.5被扩容）；
  2. ArrayList允许存放重复数据，存储顺序按照元素的添加顺序，也允许Null；
  3. 底层使用Arrays.copyOf()函数进行扩容，每次扩容都会产生新的数组，和数组中内容的拷贝，会耗费性能，所以在多增删的操作情况可优先考虑LinkedList，如果多按下标存取元素情况下推荐使用ArrayList。
  4. ArrayList并不是一个线程安全的集合。如果集合的增删操作需要保证线程的安全性，可以考虑使用CopyOnWriteArrayList或者使用Collections.synchronizedList(List)函数返回一个线程安全的ArrayList类。

2. 源码阅读

2.1 类中的属性

   /**
   * 序列化时使用
   */
   private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;

    /**
     * 集合的默认大小
     */
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

    /**
     * 用于空实例的共享空数组实例
     */
    private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

    /**
    * 这也是一个空的数组实例，和EMPTY_ELEMENTDATA空数组相比是用于了解添加元素时数组膨胀多少
    */
    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

    /**
     * 存储ArrayList的元素的数组缓冲区。 ArrayList的容量是此数组缓冲区的长度。 
     * 添加第一个元素时，任何具有elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA的空ArrayList都将扩展为DEFAULT_CAPACITY。
     */
   transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access

    /**
     * 当前ArrayList大小
     */
    private int size;

EMPTY_ELEMENTDATA 、DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA的区分会在本文后续具体说明。

2.2 构造方法

ArrayList有三个构造方法

在这里插入图片描述

  1. 无参构造方法

    /**
  * Constructs an empty list with an initial capacity of ten. 这里就说明了默认会给10的大小，所以说一开始ArrayList的容量是10
  */
 public ArrayList() {
     this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
 }

    ArrayList中存储的数据其实就是一个数组，这个数组就是elementDatam。此时初始容量是0。

  2. 有参数构造方法

      /**
  * Constructs an empty list with the specified initial capacity.
  *
  * @param initialCapacity the initial capacity of the list
  * @throws IllegalArgumentException if the specified initial capacity
  *                                  is negative
  */
 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);
     }
 }

    初始化集合大小创建 ArrayList 集合。当大于0时，给定多少那就创建多大的数组；当等于0时，创建一个空数组；当小于0时，抛出异常。

  3. 参数为集合的构造方法

      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;
     }
  }

    这是将已有的集合复制到 ArrayList 集合中去。
    可以看到，不管调用哪个构造方法，都会初始化内部elementData。

2.3 添加元素

通过前面的字段属性和构造函数，我们知道 ArrayList 集合是由数组构成的，那么向 ArrayList 中添加元素，也就是向数组赋值。我们知道一个数组的声明是能确定大小的，而使用 ArrayList 时，好像是能添加任意多个元素，这就涉及到数组的扩容。

2.3.1 add()方法
  /**
     * Appends the specified element to the end of this list.
     *
     * @param e element to be appended to this list
     * @return <tt>true</tt> (as specified by {@link Collection#add})
     */
    public boolean add(E e) {
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }


  /**
     * Inserts the specified element at the specified position in this
     * list. Shifts the element currently at that position (if any) and
     * any subsequent elements to the right (adds one to their indices).
     *
     * @param index index at which the specified element is to be inserted
     * @param element element to be inserted
     * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
     */
    public void add(int index, E element) {
        if (index > size || index < 0)
            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));

        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                         size - index);
        elementData[index] = element;
        size++;
    }

可以看到，不管是调用哪个构造方法，都会首先执行 ensureCapacityInternal(size + 1) 确认内部容量。

2.3.2 ensureCapacityInternal()
    private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        // 如果创建ArrayList时，使用的无参的构造方法，那么就取默认容量10和最小需要容量中的较大一个值
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
            minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }

        ensureExplicitCapacity(minCapacity);
    }

    private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        modCount++;

        // 如果minCapacity比当前容量大，就执行grow扩容
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
    }

    /**
     * The maximum size of array to allocate.
     * Some VMs reserve some header words in an array.
     * Attempts to allocate larger arrays may result in
     * OutOfMemoryError: Requested array size exceeds VM limit
     */
    private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

    /**
     * Increases the capacity to ensure that it can hold at least the
     * number of elements specified by the minimum capacity argument.
     *
     * @param minCapacity the desired minimum capacity
     */
    private void grow(int minCapacity) {
        // 拿到当前容量
        int oldCapacity = elementData.length;
        // oldCapacity >> 1 意思是oldCapacity/2,所以新容量就是增加1/2
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        //如果心容量小于需要的最小扩容的容量，以需要的最小容量为准进行扩容
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            newCapacity = minCapacity;
        // 如果新容量大于允许的最大容量，则以Interger的最大值进行扩容
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
        // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }

    // 设置容器容量为最大容量
    private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
        if (minCapacity < 0) // overflow
            throw new OutOfMemoryError();
        return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
            Integer.MAX_VALUE :
            MAX_ARRAY_SIZE;
    }

上面代码注释很清楚，不赘述。
此外ArrayList还有addAll(Collection<? extends E> c)、 addAll(int index, Collection<? extends E> c) 方法，类似。

2.4 移除元素——remove ()方法

     /**
     * Removes the element at the specified position in this list.
     * Shifts any subsequent elements to the left (subtracts one from their
     * indices).
     *
     * @param index the index of the element to be removed
     * @return the element that was removed from the list
     * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
     */
    public E remove(int index) {
        // 判断是否越界 不过为啥不判断<0的情况呢
        if (index >= size)
            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));

        modCount++;
        E oldValue = (E) elementData[index];
        // 主要移动的元素数量，即 总长度-(下标 + 1)
        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

        return oldValue;
    }



    /**
     * Removes the first occurrence of the specified element from this list,
     * if it is present.  If the list does not contain the element, it is
     * unchanged.  More formally, removes the element with the lowest index
     * <tt>i</tt> such that
     * <tt>(o==null&nbsp;?&nbsp;get(i)==null&nbsp;:&nbsp;o.equals(get(i))) 
     * (if such an element exists).  Returns <tt>true</tt> if this list
     * contained the specified element (or equivalently, if this list
     * changed as a result of the call).
     *
     * @param o element to be removed from this list, if present
     * @return <tt>true</tt> if this list contained the specified element
     */
    public boolean remove(Object o) {
        if (o == null) {
            // 如果删除null数据，只会删除第一个null元素
            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;
    }

    /*
     * Private remove method that skips bounds checking and does not
     * return the value removed.
     */
    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
    }

2.4 设置元素 —— set()方法

set()方法就是在指定位置改变一个元素的值

   /**
     * Replaces the element at the specified position in this list with
     * the specified element.
     *
     * @param index index of the element to replace
     * @param element element to be stored at the specified position
     * @return the element previously at the specified position
     * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
     */
    public E set(int index, E element) {
        //依然先判断是否越界,如果越界就抛出异常，你没有越界直接修改值，把旧值返回
        if (index >= size)
            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));

        E oldValue = (E) elementData[index];
        elementData[index] = element;
        return oldValue;
    }

2.5 其它方法


    /**
     * Returns the element at the specified position in this list.
     *
     * @param  index index of the element to return
     * @return the element at the specified position in this list
     * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
     */
     public E get(int index) {
        if (index >= size)
            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));

        return (E) elementData[index];
    }


    /**
     * Removes all of the elements from this list.  The list will
     * be empty after this call returns.
     */
     public void clear() {
        modCount++;

        // clear to let GC do its work
        for (int i = 0; i < size; i++)
            elementData[i] = null;

        size = 0;
    }


    /**
     * Returns the index of the first occurrence of the specified element
     * in this list, or -1 if this list does not contain the element.
     * More formally, returns the lowest index <tt>i</tt> such that
     * <tt>(o==null&nbsp;?&nbsp;get(i)==null&nbsp;:&nbsp;o.equals(get(i)))</tt>,
     * or -1 if there is no such index.
     */
    public int indexOf(Object o) {
        if (o == null) {
            for (int i = 0; i < size; i++)
                if (elementData[i]==null)
                    return i;
        } else {
            for (int i = 0; i < size; i++)
                if (o.equals(elementData[i]))
                    return i;
        }
        return -1;
    }

    /**
     * Returns the index of the last occurrence of the specified element
     * in this list, or -1 if this list does not contain the element.
     * More formally, returns the highest index <tt>i</tt> such that
     * <tt>(o==null&nbsp;?&nbsp;get(i)==null&nbsp;:&nbsp;o.equals(get(i)))</tt>,
     * or -1 if there is no such index.
     */
    public int lastIndexOf(Object o) {
        if (o == null) {
            for (int i = size-1; i >= 0; i--)
                if (elementData[i]==null)
                    return i;
        } else {
            for (int i = size-1; i >= 0; i--)
                if (o.equals(elementData[i]))
                    return i;
        }
        return -1;
    }

3. 总结

  1. ArrayList底层是一个动态扩容的数组，初始容量为10，每次容量不足时，扩容值当前的1.5倍容量。
  2. 增加(add)和删除(remove)操作会改变modCount,但是查找(get)和修改(set)不会修改。
  3. 从上面可以看出，增删都可能涉及数组拷贝，效率比较低，但是查找和修改时效率很高。
  4. 从上面可以看出，ArrayList对null元素是支持的，并且不会限制数量，也不会限制重复元素。
  5. 全文没见Synchronized关键字，也没有其它保证线程安全的操作，所以是线程不安全的，可以使用CopyOnWriteArrayList或者使Collections.synchronizedList(List)函数返回一个线程安全的ArrayList类来保证线程安全。

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