Java集合干貨——ArrayList源碼分析

wupengyu 發(fā)布于2019-08-15 13:39 / 3113人閱讀

摘要：關(guān)于的具體實(shí)現(xiàn)，一些基本的都也知道，譬如數(shù)組實(shí)現(xiàn)，線程不安全等等，但是更加具體的就很少去了解了，例如初始化的長(zhǎng)度，擴(kuò)容等。

前言

在之前的文章中我們提到過(guò)ArrayList，ArrayList可以說(shuō)是每一個(gè)學(xué)java的人使用最多最熟練的集合了，但是知其然不知其所以然。關(guān)于ArrayList的具體實(shí)現(xiàn)，一些基本的都也知道，譬如數(shù)組實(shí)現(xiàn)，線程不安全等等，但是更加具體的就很少去了解了，例如：初始化的長(zhǎng)度，擴(kuò)容等。

本篇主要通過(guò)一些對(duì)源碼的分析，講解幾個(gè)ArrayList常見(jiàn)的方法，以及和Vector的區(qū)別。

ArrayList 定義

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

ArrayList實(shí)際上是一個(gè)動(dòng)態(tài)數(shù)組，容量可以動(dòng)態(tài)的增長(zhǎng)，其繼承了AbstractList，實(shí)現(xiàn)了List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable這些接口。

RandomAccess接口，標(biāo)記接口，表明List提供了隨機(jī)訪問(wèn)功能，也就是通過(guò)下標(biāo)獲取元素對(duì)象的功能。

1.RandomAccess接口，標(biāo)記接口，表明List提供了隨機(jī)訪問(wèn)功能，也就是通過(guò)下標(biāo)獲取元素對(duì)象的功能。之所以是標(biāo)記接口，是該類(lèi)本來(lái)就具有某項(xiàng)能力，使用接口對(duì)其進(jìn)行標(biāo)簽化，便于其他的類(lèi)對(duì)其進(jìn)行識(shí)別（instanceof）。
2.ArrayList數(shù)組實(shí)現(xiàn)，本身就有通過(guò)下標(biāo)隨機(jī)訪問(wèn)任意元素的功能。那么需要細(xì)節(jié)上注意的就是隨機(jī)下標(biāo)訪問(wèn)和順序下標(biāo)訪問(wèn)（LinkedList）的不同了。也就是為什么LinkedList最好不要使用循環(huán)遍歷，而是用迭代器遍歷的原因。
3.實(shí)現(xiàn)RandomAccess同時(shí)意味著一些算法可以通過(guò)類(lèi)型判斷進(jìn)行一些針對(duì)性?xún)?yōu)化，例子有Collections的shuffle方法，源代碼就不粘貼了，簡(jiǎn)單說(shuō)就是，如果實(shí)現(xiàn)RandomAccess接口就下標(biāo)遍歷，反之迭代器遍歷

實(shí)現(xiàn)了Cloneable, java.io.Serializable意味著可以被克隆和序列化。

初始化

在使用中我們經(jīng)常需要new出來(lái)各種泛型的ArrayList，那么在初始化過(guò)程是怎樣的呢？

如下一行代碼，創(chuàng)建一個(gè)ArrayList對(duì)象

List list = new ArrayList<>();

我們來(lái)看源碼，是如何初始化的，找到構(gòu)造方法

//無(wú)參構(gòu)造方法
public ArrayList() {
  super();
  this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}

看到這些代碼的時(shí)候，我也是不解的，elementData和EMPTY_ELEMENTDATA是什么啊？但是很明顯EMPTY_ELEMENTDATA是一個(gè)常量，追本溯源我們?nèi)タ匆幌鲁蓡T屬性。

//如果是無(wú)參構(gòu)造方法創(chuàng)建對(duì)象的話，ArrayList的初始化長(zhǎng)度為10，這是一個(gè)靜態(tài)常量
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

//在這里可以看到我們不解的EMPTY_ELEMENTDATA實(shí)際上是一個(gè)空的對(duì)象數(shù)組
    private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

//保存ArrayList數(shù)據(jù)的對(duì)象數(shù)組緩沖區(qū) 空的ArrayList的elementData = EMPTY_ELEMENTDATA 這就是為什么說(shuō)ArrayList底層是數(shù)組實(shí)現(xiàn)的了。elementData的初始容量為10，大小會(huì)根據(jù)ArrayList容量的增長(zhǎng)而動(dòng)態(tài)的增長(zhǎng)。
    private transient Object[] elementData;
//集合的長(zhǎng)度
    private int size;

執(zhí)行完構(gòu)造方法，如下圖

可以說(shuō)ArrayList的作者真的是很貼心，連緩存都處理好了，多次new出來(lái)的新對(duì)象，都指向同一個(gè)引用。

添加方法add

add(E e)

 /**
     * Appends the specified element to the end of this list.
     */
//增加元素到集合的最后
public boolean add(E e) {
  ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
  //因?yàn)?+運(yùn)算符的特點(diǎn) 先使用后運(yùn)算  這里實(shí)際上是
  //elementData[size] = e
  //size+1
  elementData[size++] = e;
  return true;
}

先不管ensureCapacityInternal的話，這個(gè)方法就是將一個(gè)元素增加到數(shù)組的size++位置上。

再說(shuō)回ensureCapacityInternal，它是用來(lái)擴(kuò)容的，準(zhǔn)確說(shuō)是用來(lái)進(jìn)行擴(kuò)容檢查的。下面我們來(lái)看一下整個(gè)擴(kuò)容的過(guò)程

//初始長(zhǎng)度是10，size默認(rèn)值0，假定添加的是第一個(gè)元素，那么minCapacity=1 這是最小容量 如果小于這個(gè)容量就會(huì)報(bào)錯(cuò)
//如果底層數(shù)組就是默認(rèn)數(shù)組，那么選一個(gè)大的值，就是10
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        if (elementData == EMPTY_ELEMENTDATA) {
            minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }
        //調(diào)用另一個(gè)方法ensureExplicitCapacity
        ensureExplicitCapacity(minCapacity);
    }

    private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
      //記錄修改的次數(shù)
        modCount++;

        // overflow-conscious code
      //如果傳過(guò)來(lái)的值大于初始長(zhǎng)度 執(zhí)行g(shù)row方法（參數(shù)為傳過(guò)來(lái)的值）擴(kuò)容
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
    }
//真正的擴(kuò)容
 private void grow(int minCapacity) {
        // overflow-conscious code
        int oldCapacity = elementData.length;
   //新的容量是在原有的容量基礎(chǔ)上+50% 右移一位就是二分之一
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
   //如果新容量小于最小容量，按照最小容量進(jìn)行擴(kuò)容
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            newCapacity = minCapacity;
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
        // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
   //這里是重點(diǎn) 調(diào)用工具類(lèi)Arrays的copyOf擴(kuò)容
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }

//Arrays
public static  T[] copyOf(U[] original, int newLength, Class newType) {
  T[] copy = ((Object)newType == (Object)Object[].class)
    ? (T[]) new Object[newLength]
    : (T[]) Array.newInstance(newType.getComponentType(), newLength);
  System.arraycopy(original, 0, copy, 0,
                   Math.min(original.length, newLength));
  return copy;
}

add(int index, E element)

添加到指定的位置

public void add(int index, E element) {
  //判斷索引是否越界，如果越界就會(huì)拋出下標(biāo)越界異常
  rangeCheckForAdd(index);
//擴(kuò)容檢查
  ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
  //將指定下標(biāo)空出 具體作法就是index及其后的所有元素后移一位
  System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,size - index);
  //將要添加元素賦值到空出來(lái)的指定下標(biāo)處
  elementData[index] = element;
  //長(zhǎng)度加1
  size++;
}
//判斷是否出現(xiàn)下標(biāo)是否越界
private void rangeCheckForAdd(int index) {
  //如果下標(biāo)超過(guò)了集合的尺寸 或者 小于0就是越界  
  if (index > size || index < 0)
    throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}

remove(int index)

ArrayList支持兩種刪除元素的方式

remove(int index) 按照下標(biāo)刪除常用

remove(Object o) 按照元素刪除會(huì)刪除和參數(shù)匹配的第一個(gè)元素

下面我們看一下ArrayList的實(shí)現(xiàn)

 /**
 移除list中指定位置的元素
     * Removes the element at the specified position in this list.
     所有后續(xù)元素左移 下標(biāo)減1
     * Shifts any subsequent elements to the left (subtracts one from their
     * indices).
     *參數(shù)是要移除元素的下標(biāo)
     * @param index the index of the element to be removed
     返回值是被移除的元素
     * @return the element that was removed from the list
     * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
     */
public E remove(int index) {
  //下標(biāo)越界檢查
  rangeCheck(index);
//修改次數(shù)統(tǒng)計(jì)
  modCount++;
  //獲取這個(gè)下標(biāo)上的值
  E oldValue = elementData(index);
//計(jì)算出需要移動(dòng)的元素個(gè)數(shù) （因?yàn)樾枰獙⒑罄m(xù)元素左移一位 此處計(jì)算出來(lái)的是后續(xù)元素的位數(shù)）
  int numMoved = size - index - 1;
  //如果這個(gè)值大于0 說(shuō)明后續(xù)有元素需要左移  是0說(shuō)明被移除的對(duì)象就是最后一位元素
  if (numMoved > 0)
    //索引index只有的所有元素左移一位  覆蓋掉index位置上的元素
    System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,numMoved);
 // 將最后一個(gè)元素賦值為null  這樣就可以被gc回收了
  elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
//返回index位置上的元素
  return oldValue;
}

//移除特定元素
public boolean remove(Object o) {
  //如果元素是null 遍歷數(shù)組移除第一個(gè)null
  if (o == null) {
    for (int index = 0; index < size; index++)
      if (elementData[index] == null) {
        //遍歷找到第一個(gè)null元素的下標(biāo) 調(diào)用下標(biāo)移除元素的方法
        fastRemove(index);
        return true;
      }
  } else {
    //找到元素對(duì)應(yīng)的下標(biāo) 調(diào)用下標(biāo)移除元素的方法
    for (int index = 0; index < size; index++)
      if (o.equals(elementData[index])) {
        fastRemove(index);
        return true;
      }
  }
  return false;
}

//按照下標(biāo)移除元素
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
}

ArrayList總結(jié)

底層數(shù)組實(shí)現(xiàn)，使用默認(rèn)構(gòu)造方法初始化出來(lái)的容量是10

擴(kuò)容的長(zhǎng)度是在原長(zhǎng)度基礎(chǔ)上加二分之一

實(shí)現(xiàn)了RandomAccess接口，底層又是數(shù)組，get讀取元素性能很好

線程不安全，所有的方法均不是同步方法也沒(méi)有加鎖，因此多線程下慎用

順序添加很方便

刪除和插入需要復(fù)制數(shù)組性能很差（可以使用LinkindList）

為什么ArrayList的elementData是用transient修飾的？

transient修飾的屬性意味著不會(huì)被序列化，也就是說(shuō)在序列化ArrayList的時(shí)候，不序列化elementData。

為什么要這么做呢？

elementData不總是滿的，每次都序列化，會(huì)浪費(fèi)時(shí)間和空間

重寫(xiě)了writeObject 保證序列化的時(shí)候雖然不序列化全部但是有的元素都序列化

所以說(shuō)不是不序列化而是不全部序列化。

private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
        throws java.io.IOException{
// Write out element count, and any hidden stuff
int expectedModCount = modCount;
s.defaultWriteObject();
        // Write out array length
       s.writeInt(elementData.length);
    // Write out all elements in the proper order.
for (int i=0; i
ArrayList和Vector的區(qū)別
標(biāo)準(zhǔn)答案

ArrayList是線程不安全的，Vector是線程安全的
擴(kuò)容時(shí)候ArrayList擴(kuò)0.5倍，Vector擴(kuò)1倍

那么問(wèn)題來(lái)了
ArrayList有沒(méi)有辦法線程安全？
Collections工具類(lèi)有一個(gè)synchronizedList方法
可以把list變?yōu)榫€程安全的集合，但是意義不大，因?yàn)榭梢允褂肰ector
Vector為什么是線程安全的？
老實(shí)講，拋開(kāi)多線程    它倆區(qū)別沒(méi)多大，但是多線程下就不一樣了，那么Vector是如何實(shí)現(xiàn)線程安全的，我們來(lái)看幾個(gè)關(guān)鍵方法
public synchronized boolean add(E e) {
  modCount++;
  ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
  elementData[elementCount++] = e;
  return true;
}

public synchronized E remove(int index) {
  modCount++;
  if (index >= elementCount)
    throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);
  E oldValue = elementData(index);

  int numMoved = elementCount - index - 1;
  if (numMoved > 0)
    System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                     numMoved);
  elementData[--elementCount] = null; // Let gc do its work

  return oldValue;
}
就代碼實(shí)現(xiàn)上來(lái)說(shuō)，和ArrayList并沒(méi)有很多邏輯上的區(qū)別，但是在Vector的關(guān)鍵方法都使用了synchronized修飾。

我不能保證每一個(gè)地方都是對(duì)的，但是可以保證每一句話，每一行代碼都是經(jīng)過(guò)推敲和斟酌的。希望每一篇文章背后都是自己追求純粹技術(shù)人生的態(tài)度。永遠(yuǎn)相信美好的事情即將發(fā)生。