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集合框架知識(shí)系列03 ArrayList的源碼分析和使用示例

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摘要：每次迭代器進(jìn)結(jié)構(gòu)性修改的時(shí)候都將和進(jìn)行對(duì)比如果兩種相等則說明沒有其他迭代器修改了對(duì)象，可以進(jìn)行。

一、ArrayList簡介

ArrayList的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)數(shù)組，提供了動(dòng)態(tài)的增加和減少元素，繼承AbstractList類，并且實(shí)現(xiàn)了List、RandomAccess、Cloneable和java.io.Serializable接口。ArrayList是一個(gè)數(shù)組隊(duì)列，提供添加、刪除、修改和遍歷元素的功能。因?yàn)閷?shí)現(xiàn)RandomAccess接口，提供了隨機(jī)訪問的功能。現(xiàn)了Cloneable接口，即覆蓋了函數(shù)clone()，能被克隆。現(xiàn)java.io.Serializable接口，這意味著ArrayList支持序列化。ArrayList不是線程安全的，建議在單線程中訪問。
ArrayList有三個(gè)構(gòu)造方法，定義如下：

//創(chuàng)建給定初始化大小的ArrayList
public ArrayList(int initialCapacity) {}
//默認(rèn)無參構(gòu)造方法創(chuàng)建的ArrayList
public ArrayList() {}
//創(chuàng)建給定初始化集合c的ArrayList
public ArrayList(Collection c) {}
二、源碼分析

ArrayList是通過動(dòng)態(tài)數(shù)組實(shí)現(xiàn)的，下面通過源碼分析ArrayList的實(shí)現(xiàn)：

1、ArrayList主要源碼分析 
public class ArrayList extends AbstractList
        implements List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
   
    /**
     * 默認(rèn)初始化大小
     */
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

    /**
     * 空數(shù)組實(shí)例
     */
    private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

    /**
     * 判斷是否為第一次添加元素
     */
    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

    /**
     * ArrayList保存元素?cái)?shù)據(jù)，通過elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 來判斷是否是第一次添加元素
     */
    transient Object[] elementData;

    /**
     * ArrayList的實(shí)際大小
     */
    private int size;

    /**
     * 創(chuàng)建大小為initialCapacity的空ArrayList
     */
    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);
        }
    }

    /**
     * 創(chuàng)建初始化容量為10的list
     */
    public ArrayList() {
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }

    /**
     * 通過集合c創(chuàng)建list
     * @param c the collection whose elements are to be placed into this list
     * @throws NullPointerException 如果c為nulll,有空指針異常
     */
    public ArrayList(Collection 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;
        }
    }

    /**
     * 縮小list容量為當(dāng)前真實(shí)大小
     */
    public void trimToSize() {
        modCount++;
        if (size < elementData.length) {
            elementData = (size == 0)
              ? EMPTY_ELEMENTDATA
              : Arrays.copyOf(elementData, size);
        }
    }

    //外部調(diào)用方法，調(diào)整容量，確保list不會(huì)越界
    public void ensureCapacity(int minCapacity) {
        int minExpand = (elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)
            // any size if not default element table
            ? 0
            // larger than default for default empty table. It"s already
            // supposed to be at default size.
            : DEFAULT_CAPACITY;

        if (minCapacity > minExpand) {
            ensureExplicitCapacity(minCapacity);
        }
    }

         //計(jì)算容量
    private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
            return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }
        return minCapacity;
    }
     
         //內(nèi)部調(diào)用方法，調(diào)整容量，確保list不會(huì)越界
    private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
    }

         //擴(kuò)展容量
    private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        modCount++;

        // 如果最小容量大于數(shù)組大小，進(jìn)行數(shù)組擴(kuò)展
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
    }

    /**
     * 數(shù)組容量的最大值。部分虛擬機(jī)限制，大于MAX_ARRAY_SIZE，會(huì)導(dǎo)致OutOfMemoryError
     */
    private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

    /**
     * 數(shù)組按照1.5倍增加，如果增加后的值小于minCapacity，按照minCapacity增加
     * 
     */
    private void grow(int minCapacity) {
        int oldCapacity = elementData.length;
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            newCapacity = minCapacity;

           // 是否大于最大值
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }

         //如果擴(kuò)展容量大于最大值，按照最大值擴(kuò)展
    private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
        if (minCapacity < 0)
            throw new OutOfMemoryError();
        return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
            Integer.MAX_VALUE :
            MAX_ARRAY_SIZE;
    }

    /**
     * 返回list實(shí)際大小
     */
    public int size() {
        return size;
    }

    /**
     * 如果實(shí)際大小為0，返回true.
     */
    public boolean isEmpty() {
        return size == 0;
    }

    /**
     * 返回元素是否存在，indexOf(o)方法返回-1表示不存在.
     */
    public boolean contains(Object o) {
        return indexOf(o) >= 0;
    }

    /**
     * 返回元素的下標(biāo)，-1表示元素不存在
     */
    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;
    }

    /**
     * 返回最后一個(gè)元素o的下標(biāo)
     */
    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;
    }

    /**
     * copy一個(gè)list對(duì)象
     */
    public Object clone() {
        try {
            ArrayList v = (ArrayList) super.clone();
            v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);
            v.modCount = 0;
            return v;
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            // this shouldn"t happen, since we are Cloneable
            throw new InternalError(e);
        }
    }

    /**
     * 將list轉(zhuǎn)換為對(duì)象
     */
    public Object[] toArray() {
        return Arrays.copyOf(elementData, size);
    }

    /**
     * 將list轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)類型的數(shù)組，如果數(shù)組大小小于size,通過Arrays.copyOf轉(zhuǎn)換，如果大于System.arraycopy轉(zhuǎn)換
     */
    public  T[] toArray(T[] a) {
        if (a.length < size)
            // Make a new array of a"s runtime type, but my contents:
            return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass());
        System.arraycopy(elementData, 0, a, 0, size);
        if (a.length > size)
            a[size] = null;
        return a;
    }

    //通過制定下標(biāo)返回一個(gè)元素
    E elementData(int index) {
        return (E) elementData[index];
    }

    /**
     * 根據(jù)下標(biāo)獲取元素
     *
     */
    public E get(int index) {
     //檢查是否越界
        rangeCheck(index);
        return elementData(index);
    }

    /**
     * 將指定位置的元素替換，返回老的元素
     */
    public E set(int index, E element) {
        rangeCheck(index);

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

    /**
     *  在list中添加一個(gè)元素
     */
    public boolean add(E e) {
        //調(diào)整大小
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }

    /**
     * 在指定位置添加一個(gè)元素
     */
    public void add(int index, E element) {
        rangeCheckForAdd(index);

        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
         //index之后的元素后移
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                         size - index);
        elementData[index] = element;
        size++;
    }

    /**
     * 移除指定位置的元素，返回要移除的元素
     */
    public E remove(int index) {
        rangeCheck(index);

        modCount++;
        E oldValue = elementData(index);

        int numMoved = size - index - 1;
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                             numMoved);
        //將最后一個(gè)對(duì)象置空，便于GC
        elementData[--size] = null; 

        return oldValue;
    }

    /**
     * 根據(jù)指定的元素移除，調(diào)用fastRemove(index)方法
     */
    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;
    }

    /*
     * 不檢查邊界的快速移除元素
     */
    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
    }

    /**
     * 清除所有元素，size賦值0，
     */
    public void clear() {
        modCount++;

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

        size = 0;
    }

    /**
     * 將集合c中的元素添加到list中
     */
    public boolean addAll(Collection c) {
        Object[] a = c.toArray();
        int numNew = a.length;
        ensureCapacityInternal(size + numNew);  // Increments modCount
        System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
        size += numNew;
        return numNew != 0;
    }

    /**
     * 將集合c中的元素添加到index開始的位置，原index之后的元素后移
     */
    public boolean addAll(int index, Collection c) {
        rangeCheckForAdd(index);

        Object[] a = c.toArray();
        int numNew = a.length;
        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;
    }

    /**
     * 刪除指定區(qū)間的元素
     */
    protected void removeRange(int fromIndex, int toIndex) {
        modCount++;
        int numMoved = size - toIndex;
        System.arraycopy(elementData, toIndex, elementData, fromIndex,
                         numMoved);

        // clear to let GC do its work
        int newSize = size - (toIndex-fromIndex);
        for (int i = newSize; i < size; i++) {
            elementData[i] = null;
        }
        size = newSize;
    }

    /**
     * 檢查是否越界
     */
    private void rangeCheck(int index) {
        if (index >= size)
            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
    }

    /**
     * 添加時(shí)檢查是否越界
     */
    private void rangeCheckForAdd(int index) {
        if (index > size || index < 0)
            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
    }

    /**
     * 越界后返回的異常詳細(xì)信息
     */
    private String outOfBoundsMsg(int index) {
        return "Index: "+index+", Size: "+size;
    }

    /**
     * 刪除集合c中所有元素，首選檢查c是否為空，調(diào)用batchRemove(c, false)方法
     */
    public boolean removeAll(Collection c) {
        Objects.requireNonNull(c);
        return batchRemove(c, false);
    }

    /**
     * 保留給定集合的元素，刪除其他的
     *
     */
    public boolean retainAll(Collection c) {
        Objects.requireNonNull(c);
        return batchRemove(c, true);
    }

         /**
     * 根據(jù)complement判斷是刪除還是保留給定的集合元素
     *
     */
    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++)
                 //將刪除或者保留的元素移動(dòng)到數(shù)據(jù)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;
            }
             //把w下標(biāo)后的數(shù)據(jù)刪除
            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;
    }

    /**
     * 將ArrayList保存到流中
     */
    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 size as capacity for behavioural compatibility with clone()
        s.writeInt(size);

        // Write out all elements in the proper order.
        for (int i=0; i
2、Itr和ListItr源碼分析

上面分析了ArrayList源碼，其中Itr和ListItr這兩個(gè)內(nèi)部類沒有詳細(xì)介紹。Itr和ListItr在AbstractList中有實(shí)現(xiàn)，在ArrayList對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化。下面進(jìn)行詳細(xì)介紹：

Itr

Itr實(shí)現(xiàn)了Iterator接口，源碼如下：

private class Itr implements Iterator {
         //下一個(gè)元素的下標(biāo)          
        int cursor;       // index of next element to return
         //最后返回元素的下標(biāo)，如果不存在，返回-1
        int lastRet = -1; 

     /**
      * 每個(gè)迭代器保存一個(gè)expectedModCount ，來記錄這個(gè)迭代器對(duì)對(duì)象進(jìn)行結(jié)構(gòu)性修改的次數(shù)。
      * 每次迭代器進(jìn)結(jié)構(gòu)性修改的時(shí)候都將expectedModCount 和modCount進(jìn)行對(duì)比
      * 如果兩種相等則說明沒有其他迭代器修改了對(duì)象，可以進(jìn)行。如果不相等則說明有迭代進(jìn)行了修改，立刻拋出異常
      */
        int expectedModCount = modCount;

        Itr() {}
        //下一個(gè)元素下標(biāo)不等于size,表示還有下一個(gè)元素
        public boolean hasNext() {
            return cursor != size;
        }

        //獲取到下一個(gè)元素
        public E next() {
            //檢查其他迭代器對(duì)list是否有修改
            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];
        }

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

            try {
                ArrayList.this.remove(lastRet);
                cursor = lastRet;
                lastRet = -1;
                expectedModCount = modCount;
            } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
                throw new ConcurrentModificationException();
            }
        }

        @Override
        @SuppressWarnings("unchecked")
        public void forEachRemaining(Consumer consumer) {
            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();
            }
            //移動(dòng)元素
            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();
        }

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

ListItr

ListItr繼承自Itr,并且實(shí)現(xiàn)了ListIterator接口，源碼如下：

private class ListItr extends Itr implements ListIterator {
        ListItr(int index) {
            super();
            cursor = index;
        }

        public boolean hasPrevious() {
            return cursor != 0;
        }

        public int nextIndex() {
            return cursor;
        }

        public int previousIndex() {
            return cursor - 1;
        }

        @SuppressWarnings("unchecked")
        public E previous() {
            checkForComodification();
            int i = cursor - 1;
            if (i < 0)
                throw new NoSuchElementException();
            Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
            if (i >= elementData.length)
                throw new ConcurrentModificationException();
            cursor = i;
            return (E) elementData[lastRet = i];
        }

        public void set(E e) {
            if (lastRet < 0)
                throw new IllegalStateException();
            checkForComodification();

            try {
                ArrayList.this.set(lastRet, e);
            } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
                throw new ConcurrentModificationException();
            }
        }

        public void add(E e) {
            checkForComodification();

            try {
                int i = cursor;
                ArrayList.this.add(i, e);
                cursor = i + 1;
                lastRet = -1;
                expectedModCount = modCount;
            } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
                throw new ConcurrentModificationException();
            }
        }
    }
三、使用示例 1、ArrayList的四種遍歷方式

jdk 1.8以前的集合list遍歷支持三種方式，在1.8中增加了java 8 forEach方法，下面分別分析這四種遍歷方式以及效率：

public class ArrayListIteratorTest {
    
        public static void main(String[] args) {
    
            List list = new ArrayList();
            for (int i = 0; i < 1000000 ; i++) {
                list.add(i);
            }
    
            iteratorTest(list);
    
            foreashITest(list);
    
            foreashTest(list);
    
            java8ForeashTest(list);
    
    
        }
    
        /**
         * 通過迭代器遍歷
         * @param list
         */
        static void iteratorTest(List list){
            long startTime;
            long endTime;
            startTime = System.currentTimeMillis();
            Iterator iterator = list.iterator();
            while (iterator.hasNext()){
                iterator.next();
            }
            endTime = System.currentTimeMillis();
            System.out.println("Iterator time :" + (endTime - startTime));
        }
    
        /**
         * 通過索引遍歷
         * @param list
         */
        static void foreashITest(List list){
            long startTime;
            long endTime;
            startTime = System.currentTimeMillis();
            for (int i = 0, length = list.size(); i < length; i++) {
                list.get(i);
            }
            endTime = System.currentTimeMillis();
            System.out.println("fori time :" + (endTime - startTime));
        }
    
        /**
         * 通過foreash遍歷
         * @param list
         */
        static void foreashTest(List list){
            long startTime;
            long endTime;
            startTime = System.currentTimeMillis();
            for (Object l: list) {
    
            }
            endTime = System.currentTimeMillis();
            System.out.println("foreash time :" + (endTime - startTime));
        }
    
        /**
         * 通過java 8 中提供的foreash遍歷
         * @param list
         */
        static void java8ForeashTest(List list){
            long startTime;
            long endTime;
            startTime = System.currentTimeMillis();
            list.forEach(l->{});
            endTime = System.currentTimeMillis();
            System.out.println("java 8 foreash time :" + (endTime - startTime));
        }
    }

以上代碼運(yùn)行后的結(jié)果如下：

從運(yùn)行結(jié)果看，foreash運(yùn)行效率最高，java 8 中的foreash運(yùn)行效率最差。

2、toArray()方法的使用

ArrayList中提供了連個(gè)方法將list轉(zhuǎn)換為數(shù)組，分別是Object[] toArray()和 T[] toArray(T[] a)。調(diào)用第一個(gè)方法會(huì)有拋出“java.lang.ClassCastException”異常的情況，下面通過具體示例演示：

public class ArrayListToArraysTest {

    public static void main(String[] args) {
        List list = new ArrayList<>();
        Dog dog1 = new Dog();
        Dog dog2 = new Dog();

        list.add(dog1);
        list.add(dog2);
    //此處會(huì)拋出異常
        Dog[] dogs1 = (Dog[]) list.toArray();
        System.out.println(Arrays.toString(dogs1));

        Dog[] dogs2 = new Dog[list.size()];
        dogs2 = list.toArray(dogs2);

        System.out.println(Arrays.toString(dogs2));
    }

    private static class Dog{
        private String name;

        private String color;


        public String getName() {
            return name;
        }

        public void setName(String name) {
            this.name = name;
        }

        public String getColor() {
            return color;
        }

        public void setColor(String color) {
            this.color = color;
        }
    }
}
3、fail-fast機(jī)制

當(dāng)某一個(gè)線程A通過iterator去遍歷某集合的過程中，若該集合的內(nèi)容被其他線程所改變了；那么線程A訪問集合時(shí)，就會(huì)拋出ConcurrentModificationException異常，產(chǎn)生fail-fast事件。
Fail-fast示例如下：

public class ArrayListFailFastTest {
        private static List list = new ArrayList();
        public static void main(String[] args) {
    
            Thread t1 = new Thread(new ThreadTest(),"t1");
            Thread t2 = new Thread(new ThreadTest(), "t2");
            t1.start();
            t2.start();
        }
    
        private static class ThreadTest implements Runnable{
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 20; i++) {
                    list.add(i);
                }
                Iterator iterator = list.iterator();
                while (iterator.hasNext()){
                    System.out.print(iterator.next() + " ");
                }
            }
        }
    
    }

可以看出，在多線程下，通過iterator去遍歷某集合，會(huì)拋ConcurrentModificationException異常。

四、總結(jié)

在本章中，分析了ArrayList集合。ArrayList的內(nèi)部是通過動(dòng)態(tài)數(shù)組存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的，默認(rèn)初始大小是10，在jdk1.8中，默認(rèn)構(gòu)造方法創(chuàng)建對(duì)象，默認(rèn)的數(shù)組為空，當(dāng)?shù)谝淮翁砑釉貢r(shí)，設(shè)置數(shù)組大小為10。在調(diào)整數(shù)組大小時(shí)，默認(rèn)是增加原數(shù)組的1.5倍，如果傳入的最小擴(kuò)展數(shù)大于增加1.5倍后的大小，則按照此最小擴(kuò)展數(shù)擴(kuò)展，否則按照默認(rèn)擴(kuò)展。

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