JDK源码解析-ArrayList

news2024/10/6 12:35:14

1. ArrayList类

1.1 ArrayList类结构图

ArrayList 是一个用数组实现的集合，支持随机访问，元素有序且可以重复。

（1）ArrayList 是一种变长的集合类，基于定长数组实现。

（2）ArrayList 允许空值和重复元素，当往 ArrayList 中添加的元素数量大于其底层数组容量时，其会通过扩容机制重新生成一个更大的数组。

（3）ArrayList 底层基于数组实现，所以其可以保证在 O(1) 复杂度下完成随机查找操作。

（4）ArrayList 是非线程安全类，并发环境下，多个线程同时操作 ArrayList，会引发不可预知的异常或错误。

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

'xxs'

①、实现 RandomAccess 接口

这是一个标记接口，一般此标记接口用于 List实现，以表明它们支持快速（通常是恒定时间）的随机访问

②、实现 Cloneable 接口

Cloneable 和 RandomAccess 接口一样也是一个标记接口，接口内无任何方法体和常量的声明，也就是说如果想克隆对象，必须要 实现 Cloneable 接口，表明该类是可以被克隆的。

③、实现 Serializable 接口

标记接口，表示能被序列化

④、实现 List 接口

这个接口是 List 类集合的上层接口，定义了实现该接口的类都必须要实现的一组方法

'xxs'

1.2 字段属性

 //集合的默认大小
 private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
 //空的数组实例
 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集合的元素，集合的长度即这个数组的长度
 //1、当 elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 时将会清空 ArrayList
 //2、当添加第一个元素时，elementData 长度会扩展为 DEFAULT_CAPACITY=10
 transient Object[] elementData;
 //表示集合的长度
 private int size;

1.3 类构造器

1. 无参构造：

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

此无参构造函数将创建一个 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 声明的数组，注意此时初始容量是0，而不是大家以为的 10。

注意：根据默认构造函数创建的集合，ArrayList list = new ArrayList();此时集合长度是0.

2. 重载：有参构造ArrayList(int initialCapacity)

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.重载：ArrayList(Collection<? extends E> c)

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;
    }
}

将已有的集合复制到 ArrayList 集合中

思考：无参构造和0长度构造有什么区别？

//两种方式构建list，有什么区别？
ArrayList list1 = new ArrayList();
ArrayList list2 = new ArrayList(0);

@Test
public void test2(){
    //两种方式构建list，有什么区别？
    ArrayList list1 = new ArrayList();
    ArrayList list2 = new ArrayList(0);

    //打印对象头
    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(list1).toPrintable());
    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(list2).toPrintable());

    System.out.println("========");

    //add一个元素之后再来打印试试
    list1.add(1);
    list2.add(1);

    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(list1).toPrintable());
    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(list2).toPrintable());
}

'xxs'

原理：

//calculateCapacity
//每次元素变动，比如add，会调用该函数判断容量情况
private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
	//定义default empty数组的意义就在这里！用于扩容时判断当初采用的是哪种构造函数
	if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
	    //如果是无参的构造函数，用的就是该default empty
	    //那么第一次add时候，容量取default和min中较大者
	    return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
	}
	//如果是另外两个构造函数，比如指定容量为5，或者初始参数collection为5
	//那就直接返回5，一定程度上，节约了内存空间
	return minCapacity;
}

1.4 添加元素

// 思考：List集合底层是数组，为什么能添加到任意多个元素？
list1.add(1);

源码：

public boolean add(E e) {
   ensureCapacityInternal(size + 1);  //添加元素之前，首先要确定集合的大小(是否需要扩容)
   elementData[size++] = e;
   return true;
}

如上所示，在通过调用 add 方法添加元素之前，要首先调用 ensureCapacityInternal 方法来确定集合的大小，如果集合满了，则要进行扩容操作。

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {//这里的minCapacity 是集合当前大小+1
    //elementData 是实际用来存储元素的数组，注意数组的大小和集合的大小不是相等的，前面的size是指集合大小
    ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}
private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {//如果数组为空，则从size+1的值和默认值10中取最大的
        return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    return minCapacity;//不为空，则返回size+1
}
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;

    // overflow-conscious code
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);
}

在 ensureExplicitCapacity 方法中，首先对修改次数modCount加一，这里的modCount给ArrayList的迭代器使用的，在并发操作被修改时，提供快速失败行为（保证modCount在迭代期间不变，否则抛出ConcurrentModificationException异常，可以查看源码865行），接着判断minCapacity是否大于当前ArrayList内部数组长度，大于的话调用grow方法对内部数组elementData扩容，grow方法代码如下：

private void grow(int minCapacity) {
    int oldCapacity = elementData.length;//得到原始数组的长度
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);//新数组的长度等于原数组长度的1.5倍
    if (newCapacity - minCapacity < 0)//当新数组长度仍然比minCapacity小，则为保证最小长度，新数组等于minCapacity
        newCapacity = minCapacity;
    //MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8 = 2147483639
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)//当得到的新数组长度比 MAX_ARRAY_SIZE 大时，调用 hugeCapacity 处理大数组
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    //调用 Arrays.copyOf 将原数组拷贝到一个大小为newCapacity的新数组（注意是拷贝引用）
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
    if (minCapacity < 0) //
        throw new OutOfMemoryError();
    return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ? //minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE,则新数组大小为Integer.MAX_VALUE
        Integer.MAX_VALUE :
        MAX_ARRAY_SIZE;
}

扩容的核心方法就是调用前面讲过的Arrays.copyOf 方法，创建一个更大的数组，然后将原数组元素拷贝过去即可

对于 ArrayList 集合添加元素，总结一下：

①、当通过 ArrayList() 构造一个空集合，初始长度是为0的，第 1 次添加元素，会创建一个长度为10的数组，并将该元素赋值到数组的第一个位置。

②、第 2 次添加元素，集合不为空，而且由于集合的长度size+1是小于数组的长度10，所以直接添加元素到数组的第二个位置，不用扩容。

③、第 11 次添加元素，此时 size+1 = 11，而数组长度是10，这时候创建一个长度为10+10*0.5 = 15 的数组（扩容1.5倍），然后将原数组元素引用拷贝到新数组。并将第 11 次添加的元素赋值到新数组下标为10的位置。

④、第 Integer.MAX_VALUE - 8 = 2147483639，然后 2147483639%1.5=1431655759（这个数是要进行扩容） 次添加元素，为了防止溢出，此时会直接创建一个 1431655759+1 大小的数组，这样一直，每次添加一个元素，都只扩大一个范围。

⑤、第 Integer.MAX_VALUE - 7 次添加元素时，创建一个大小为 Integer.MAX_VALUE 的数组，在进行元素添加。

⑥、第 Integer.MAX_VALUE + 1 次添加元素时，抛出 OutOfMemoryError 异常。

注意：能向集合中添加 null 的，因为数组可以有 null 值存在。

Object[] obj = {null,1};

ArrayList list = new ArrayList();
list.add(null);
list.add(1);
System.out.println(list.size());//2

1.5 删除元素

public E remove(int index) {
    rangeCheck(index);//判断给定索引的范围，超过集合大小则抛出异常

    modCount++;
    E oldValue = elementData(index);//得到索引处的删除元素

    int numMoved = size - index - 1;
    if (numMoved > 0)//size-index-1 > 0 表示 0<= index < (size-1),即索引不是最后一个元素
        //通过 System.arraycopy()将数组elementData 的下标index+1之后长度为 numMoved的元素拷贝到从index开始的位置
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                         numMoved);
    elementData[--size] = null; //将数组最后一个元素置为 null，便于垃圾回收

    return oldValue;
}

remove(int index) 方法表示删除索引index处的元素，首先通过 rangeCheck(index) 方法判断给定索引的范围，超过集合大小则抛出异常；接着通过 System.arraycopy 方法对数组进行自身拷贝

'xxs'

附：

/*
*　src:源数组
　　srcPos:源数组要复制的起始位置
　　dest:目的数组
　　destPos:目的数组放置的起始位置
　　length:复制的长度
　　注意：src 和 dest都必须是同类型或者可以进行转换类型的数组。
*/
public static native void arraycopy(Object src,  int  srcPos,
                                        Object dest, int destPos,
                                        int length);

1.6 修改元素

通过调用 set(int index, E element) 方法在指定索引 index 处的元素替换为 element。并返回原数组的元素。

public E set(int index, E element) {
    rangeCheck(index);//判断索引合法性

    E oldValue = elementData(index);//获得原数组指定索引的元素
    elementData[index] = element;//将指定所引处的元素替换为 element
    return oldValue;//返回原数组索引元素
}

通过调用 rangeCheck(index) 来检查索引合法性

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

当索引为负数时，会抛出 java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException 异常。当索引大于集合长度时，会抛出 IndexOutOfBoundsException 异常。

1.7 查找元素

public E get(int index) {
    rangeCheck(index);

    return elementData(index);
}

同理，首先还是判断给定索引的合理性，然后直接返回处于该下标位置的数组元素。

1.8 遍历集合

①、普通 for 循环遍历

前面介绍查找元素时，知道可以通过get(int index)方法，根据索引查找元素，那么遍历同理：

ArrayList list = new ArrayList();
list.add("a");
list.add("b");
list.add("c");
for(int i = 0 ; i < list.size() ; i++){
    System.out.print(list.get(i)+" ");
}

②、迭代器 iterator

ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
list.add("a");
list.add("b");
list.add("c");
Iterator<String> it = list.iterator();
while(it.hasNext()){
    String str = it.next();
    System.out.print(str+" ");
}

在介绍 ArrayList 时，知道该类实现了 List 接口，而 List 接口又继承了 Collection 接口，Collection 接口又继承了 Iterable 接口，该接口有个 Iterator iterator() 方法，能获取 Iterator 对象，能用该对象进行集合遍历，为什么能用该对象进行集合遍历？再看看 ArrayList 类中的该方法实现：

public Iterator<E> iterator() {
    return new Itr();
}

该方法是返回一个 Itr 对象，这个类是 ArrayList 的内部类。

private class Itr implements Iterator<E> {
  int cursor;       //游标， 下一个要返回的元素的索引
  int lastRet = -1; // 返回最后一个元素的索引; 如果没有这样的话返回-1.
  int expectedModCount = modCount;

  //通过 cursor ！= size 判断是否还有下一个元素
  public boolean hasNext() {
      return cursor != size;
  }

  @SuppressWarnings("unchecked")
  public E next() {
      checkForComodification();//迭代器进行元素迭代时同时进行增加和删除操作，会抛出异常
      int i = cursor;
      if (i >= size)
          throw new NoSuchElementException();
      Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
      if (i >= elementData.length)
          throw new ConcurrentModificationException();
      cursor = i + 1;//游标向后移动一位
      return (E) elementData[lastRet = i];//返回索引为i处的元素，并将 lastRet赋值为i
  }

  public void remove() {
      if (lastRet < 0)
          throw new IllegalStateException();
      checkForComodification();

      try {
          ArrayList.this.remove(lastRet);//调用ArrayList的remove方法删除元素
          cursor = lastRet;//游标指向删除元素的位置，本来是lastRet+1的，这里删除一个元素，然后游标就不变了
          lastRet = -1;//lastRet恢复默认值-1
          expectedModCount = modCount;//expectedModCount值和modCount同步，因为进行add和remove操作，modCount会加1
      } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
          throw new ConcurrentModificationException();
      }
  }

  @Override
  @SuppressWarnings("unchecked")
  public void forEachRemaining(Consumer<? super E> consumer) {//便于进行forEach循环
      Objects.requireNonNull(consumer);
      final int size = ArrayList.this.size;
      int i = cursor;
      if (i >= size) {
          return;
      }
      final Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
      if (i >= elementData.length) {
          throw new ConcurrentModificationException();
      }
      while (i != size && modCount == expectedModCount) {
          consumer.accept((E) elementData[i++]);
      }
      // update once at end of iteration to reduce heap write traffic
      cursor = i;
      lastRet = i - 1;
      checkForComodification();
  }

  //前面在新增元素add() 和 删除元素 remove() 时，可以看到 modCount++。修改set() 是没有的
  //也就是说不能在迭代器进行元素迭代时进行增加和删除操作，否则抛出异常
  final void checkForComodification() {
      if (modCount != expectedModCount)
          throw new ConcurrentModificationException();
  }
}

注意在进行 next() 方法调用的时候，会进行 checkForComodification() 调用，该方法表示迭代器进行元素迭代时，如果同时进行增加和删除操作，会抛出 ConcurrentModificationException 异常。比如：

ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
list.add("a");
list.add("b");
list.add("c");
Iterator<String> it = list.iterator();
while(it.hasNext()){
    String str = it.next();
    System.out.print(str+" ");
    list.remove(str);//集合遍历时进行删除或者新增操作，都会抛出 ConcurrentModificationException 异常
    //list.add(str);
    list.set(0, str);//修改操作不会造成异常
}

'xxs'

解决办法是不调用 ArrayList.remove() 方法，转而调用 迭代器的 remove() 方法：

Iterator<String> it = list.iterator();
while(it.hasNext()){
    String str = it.next();
    System.out.print(str+" ");
    //list.remove(str);//集合遍历时进行删除或者新增操作，都会抛出 ConcurrentModificationException 异常
    it.remove();
}

注意：迭代器只能向后遍历，不能向前遍历，能够删除元素，但是不能新增元素。

③、迭代器的变种 forEach

ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
 list.add("a");
 list.add("b");
 list.add("c");
for(String str : list){
    System.out.print(str + " ");
}

这种语法可以看成是 JDK 的一种语法糖，通过反编译 class 文件，可以看到生成的 java 文件，其具体实现还是通过调用 Iterator 迭代器进行遍历的。如下：

ArrayList list = new ArrayList();
        list.add("a");
        list.add("b");
        list.add("c");
        String str;
        for (Iterator iterator1 = list.iterator(); iterator1.hasNext(); System.out.print((new StringBuilder(String.valueOf(str))).append(" ").toString()))
            str = (String)iterator1.next();

总结：

  • arrayList可以存放null。
  • arrayList本质上就是一个elementData数组。
  • arrayList区别于数组的地方在于能够自动扩展大小，其中关键的方法就是gorw()方法。
  • arrayList由于本质是数组，所以它在数据的查询方面会很快，而在插入删除这些方面，性能下降很多，有移动很多数据才能达到应有的效果

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