ArrayList源码解析

Stella981
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#ArrayList源码分析 ###简介 #####类型: 类 |extends AbstractList|implements List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable #####梗概:

  • ArrayList是一个大小可变的数组,由于其实现是基于数组,所以其用于数组所特有的属性,对于查找与修改操作,其时间复杂度可以认为是O(1),但是对于增加和删除操作,其时间复杂度则可认为是O(n),所以一般情况下,对于频繁执行查找和修改操作时,我们优先使用ArrayList;但是对于频繁执行删除和增加操作时,我们会建议优先使用LinkedList;
  • ArrayList的实现是不同步的,如果你的程序是针对于多线程并发的情况下,要么不使用ArrayList,要么就自己处理同步过程所产生的不一致的问题。但是JDK中提供了一些方法,可以直接的帮你处理这些问题。通过Collections.synchronizedList()会返回一个支持同步的List。
  • ArrayList扩容之后,扩容后的容量大于原容量的一半,且ArrayList的可变数组特性,是通过新建数组并将旧数组的数据复制到新数组而实现的。

####源码解析部分 #####结构:

  • 成员变量:
  • DEFAULT_CAPACITY :默认的初始容量。
  • EMPTY_ELEMENTDATA:
  • DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA:一个空的数组,当使用无参构造函数时,将此函数赋值给elementData
  • elementData:保存ArrayList的数据数组
  • size:ArrayList的大小(所包含元素的个数)
  • 构造函数:
  • public ArrayList(int initialCapacity):使用指定大小容量来创建一个空的list
  • public ArrayList():使用默认容量构造一个空的list(默认大小为10)
  • public ArrayList(Collection<? exends E> c):构造一个包含指定 collection 的元素的列表,这些元素是按照该 collection 的迭代器返回它们的顺序排列的。
  • 方法:
  • add(E e):将指定的元素添加到此列表的尾部。
  • add(int index, E element):将指定的元素插入此列表中的指定位置。

#####源码分析:

  • add(E e):

    public boolean add(E e) { ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!! elementData[size++] = e; return true; }

从上面的方法调用栈我们可以看到,当执行添加操作的时候,首先会调用方法ensureCapacityInternal(int minCapacity),该方法的作用是判断ArrayList中是否有minCapacity个容量。从上面的结构部分我们知道,size变量实际上就是当前ArrayList的大小,而参数为size+1就是确认当前的容量是否有size+1个,因为我们要加入一个新的数据。 下面我们来看看ensureCapacityInternal方法是如何确认容量并且当容量不够时又是如何处理的?

 private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
            minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }

        ensureExplicitCapacity(minCapacity);
    }

首先判断elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA是否成立,当成立的话,说明构造ArrayList是通过无参构造函数产生的,那么ArrayList的默认容量就是DEFAULT_CAPACITY(10),通过求DEFAULT_CAPACITY和minCapacity的最大值来指定此次操作的最小容量。下面你会看到ensureExplicitCapacity这个方法,从名字来看,可以译为“确保明确的容量”,实际是在这个方法中确认容量,也就是说如果当前的容量合格的话,就不管了,如果溢出的话,就会执行扩容操作。让我们看一下方法的具体实现。

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

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

如果minCapacity - elementData.length>0的话,那就说明当前的数组容量是不能满足我再次添加一个元素的,那么就会执行扩容操作grow(int minCapacity)。

private void grow(int minCapacity) {
        // overflow-conscious code
        int oldCapacity = elementData.length;
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        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:
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }

上面就是扩容的真实面目,其实扩容的方法是很简单的,首先会计算出扩容后的新容量,新容量为旧容量的大小加上其大小的一半,也就是说ArrayList的扩容的成半扩容的。然后将旧的数组的数据拷贝到新的数组当中,并返回给elementData的引用,这也就完成了ArrayList的扩容,是不是很神奇? 好了,我们已经解释了由ensureCapacityInternal()方法所迁出的所有线,总结一句,就是在执行add方法之前,判断一下保存ArrayList的缓存数组的容量是否满足我再添加一个数据的要求,如果满足就不说了,不然的话,就会重新创建一个比当前数组容量大一倍的数组来实现扩容。下面就简单了。

 elementData[size++] = e;

将要添加的数据加入到数组当中即可。 注意:其实对于扩容操作,还有一个细节我刚刚没有说明,就是扩容过程是不是无论如何都能成功呢?当然不是,对于grow()方法中,有一句代码我刚没有分析:

 MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
  if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);

实际上,新建的数组容量是有界的,值是不能大于Integer.MAX_VALUE - 8;

  • add(int index, E element):

    public void add(int index, E element) { rangeCheckForAdd(index); ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!! System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index); elementData[index] = element; size++; }

首先会通过rangeCheckForAdd(index)方法来判断index的有效性,因为index <= size && index >= 0。然后和add(E e)方法一样,会判断一个当前容量的有效性。然后修改指定下标下的数据。这个方法与add(E e)大部分类似,就不多讲解。

  • addAll(Collection<? extends E> c):

    public boolean addAll(Collection<? extends E> 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; }

首先会将一个集合转化成一个数组a,然后再通过方法System.arraycopy()将数组a复制到elementData上,然后重置size大小。

  • remove(int index) :

    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); elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work return oldValue; }

首先通过 rangeCheck(index)方法来判断index的有效性,然后通过一个公式size - index - 1来计算移动元素的个数,当移动的个数大于0个时,通过数组拷贝函数System.arraycopy(),将数组从index+1开始到最后的元素部分拷贝到从index开始的位置,这也就实现了从index+1到结束的数组部分的所有元素向前移动了以为,从而实现了删除第index个元素。elementData[--size] = null这一步的想法很好,在C/C++中我们可以通过free函数释放掉一块内存,但是在JAVA中我们一般不会主动去释放一块内存,而是通过将对象的引用赋值为null,当GC发现一块没有被引用的内存时,会自动回收内存。

  • remove(Object o):

    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; }

对于删除指定对象的方法,逻辑很简单,主要的逻辑就是计算采用顺序查询的方法找到要删除对象的下标,然后调用与remove(int index)功能相同的fastRemove方法,其实两个方法基本一致,只是在fastRemove方法中不需要判断值的有效性,并且不需要返回要删的数据。因为对象判断相同是通过equals方法,所以为了考虑null的情况,要单独处理为null的情况。

  • set(int index, E element):

#####更多细节

  • 在多线程中,如果一个线程在遍历的一个ArrayList的时,另一个线程修改了这个ArrayList,此时会报ConcurrentModificationException,为什么呢? 首先,我们要知道一个变量:

    protected transient int modCount = 0;

这个变量定义在AbstractList中,其记录着一个List被结构性修改的次数。好了,暂且你知道有这么个东西。 在ArrayList中有三个迭代器的实现,我们就研究其中的一个源码。

 private class Itr implements Iterator<E> {
         ....
        int expectedModCount = modCount;
        @SuppressWarnings("unchecked")
        public E next() {
            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];
        }
         final void checkForComodification() {
            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
        }
        ....

我们只需看这个迭代器中的next方法即可了解其原理。 我们发现,在这个next()函数内部,第一行,会调用一个方法checkForComodification();在这个方法中会判断modCount != expectedModCount,对于expectedModCount这个变量,是创建一个迭代器对象的时候就会被初始化,其值是在创建一个迭代器之时就确定了的,在创建之后,如果再发生结构性的修改的时候就使得modCount的值发生改变,则modCount != expectedModCount就会成立,从而抛出ConcurrentModificationException。

更多源码解析:https://github.com/ccqy66/JDK-s-source-parser

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