Java中ArrayList类的源码解析
前言:在前面我们提到数据结构的线性表。那么今天我们详细看下Java源码是如何实现线性表的,这一篇主要讲解顺序表ArrayList链式表下一篇在提及。
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1:ArrayList结构图
2:关于Collection和List的区别
最好的比对就是查看他们的源码我们先看Collection的所有接口
public interface Collectionextends Iterable { int size(); boolean contains(Object o); Iterator iterator(); Object[] toArray(); T[] toArray(T[] a); boolean add(E e); boolean remove(Object o); boolean containsAll(Collection<?> c); boolean addAll(Collection<? extends E> c); boolean retainAll(Collection<?> c); void clear(); boolean equals(Object o); int hashCode(); }
在看List接口
public interface Listextends Collection { int size(); boolean isEmpty(); Iterator iterator(); Object[] toArray(); T[] toArray(T[] a); boolean add(E e); boolean remove(Object o); boolean containsAll(Collection<?> c); boolean addAll(Collection<? extends E> c); boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c); boolean removeAll(Collection<?> c); boolean retainAll(Collection<?> c); void clear(); boolean equals(Object o); int hashCode(); E get(int index); E set(int index, E element); void add(int index, E element); E remove(int index); int indexOf(Object o); int lastIndexOf(Object o); ListIterator listIterator(); ListIterator listIterator(int index); List subList(int fromIndex, int toIndex); }
由于List是继承Collection,所有具有Collection所有的功能,从Collection接口中我们也可以看出,Collection不具有索引,不可以取元素的值,而List取可以,List是具有索引的,这样一来在获取元素方面远远好于Collection。
3:Iterable接口
从ArrayList中我们可以看出,最顶端的接口就是Iterable这个接口,这个是一个迭代器,接口如下
public interface Iterable{ Iterator iterator(); }
这个接口主要是返回一个对象,这个对象是Iterator,那么我们在看看Iterator接口里面的方法
public interface Iterator{ boolean hasNext(); E next(); void remove(); }
那么我们主要看ArrayList是如何实现迭代器Iterator的。Iterator的实现在AbstractList这个抽象类中的一个私有类Itr中。我们看看具体实现
private class Itr implements Iterator{ int cursor = 0; int lastRet = -1; int expectedModCount = modCount; public boolean hasNext() { return cursor != size(); }
cursor:记录即将调用索引的位置
lastRet:最后一个元素的索引
int expectedModCount = modCount;目的是为了验证modCount后面会单独说下。
判断这个集合是否存在最后一个元素,通过cursor != size();size表示数组的长度,因为数组中元素索引从0开始,所以当最后一个索引等于数组长度的时候说明已经到数组的尾部了。
public E next() { checkForComodification(); try { E next = get(cursor); lastRet = cursor++; return next; } catch (IndexOutOfBoundsException e) { checkForComodification(); throw new NoSuchElementException(); } }
final void checkForComodification() { if (modCount != expectedModCount) throw new ConcurrentModificationException(); }
modCount:记录所有数组数据结构变动的次数,包括添加、删除、更改等,为了避免并发时候,当多个线程同时操作时候,某个线程修改了数组结构,而另一个线程恰恰读取这个数组,这样一来就会产生错误。所以在这段代码中加入了modCount != expectedModCount,比如A线程对数据结构修改一次,那么modCount比如+1,而expectedModCount并没有发生变化,所以这样就会抛出异常。
public void remove() { if (lastRet == -1) throw new IllegalStateException(); checkForComodification(); try { AbstractList.this.remove(lastRet); if (lastRet < cursor) cursor--; lastRet = -1; expectedModCount = modCount; } catch (IndexOutOfBoundsException e) { throw new ConcurrentModificationException(); } }
我们刚刚说了lastRet记录的是最后一个元素,所以删除的时候直接按照索引删除即可,因为modCount会减一,所以重新对expectedModCount 进行赋值,避免遍历时候产生错误。而且把lastRed在次赋初始值。
4:分析ArrayList
刚刚目的是为了更加连接ArrayList做个铺垫,ArrayList和我们以前数据结构中提到的顺序表一样,采用Object[] 数组进行存储元素,用size来记录元素的元素的个数。
/** * The array buffer into which the elements of the ArrayList are stored. * The capacity of the ArrayList is the length of this array buffer. */ private transient Object[] elementData; /** * The size of the ArrayList (the number of elements it contains). * * @serial */ private int size;
关于transient,一旦变量被transient修饰,变量将不再是对象持久化的一部分,那么为啥采用transient修饰呢,由于elementData本身是一个缓存数组,通常会预留一些容量,当容量不够时然后进行扩充,比如现在elementData容量是10,但是只有5个元素,数组中的最后五个元素是没有实际意义的,不需要储存,所以ArrayList的设计者将elementData设计为transient,然后在writeObject方法中手动将其序列化,并且只序列化了实际存储的那些元素,而不是整个数组。我们看下writeObject方法
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
关于ArrayList的初始化。ArrayList的设计者采用3种方式初始化。(默认数组容量是10)
public ArrayList(int initialCapacity) { super(); if (initialCapacity < 0) throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+ initialCapacity); this.elementData = new Object[initialCapacity]; } public ArrayList() { this(10); } public ArrayList(Collection<? extends E> c) { elementData = c.toArray(); size = elementData.length; // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652) if (elementData.getClass() != Object[].class) elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class); }
trimToSize方法,这个方法可能我们好多人用的少,其实意义蛮大的,它主要把没用的容量去除掉,这样一来可以减少内存的开销
public void trimToSize() { modCount++; int oldCapacity = elementData.length; if (size < oldCapacity) { elementData = Arrays.copyOf(elementData, size); }
ensureCapacity方法,我们知道数组如果满了就会进行扩容,这个方法就是扩容的。
public void ensureCapacity(int minCapacity) { modCount++; int oldCapacity = elementData.length; if (minCapacity > oldCapacity) { Object oldData[] = elementData; int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1; if (newCapacity < minCapacity) newCapacity = minCapacity; // minCapacity is usually close to size, so this is a win: elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); }
modCount就是增加因子,记录操作数组结构的次数,首先和容量进行比对,如果不够了进行扩容。这是Java1.6版本的就是在原来的基础上扩容1.5倍。1.7采用>>1也就是所有元素像右边移动一位然后加上原来的容量。其中
indexOf方法,这个方法是获取元素索引。通过索引然后进行查询元素
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; }
从中我们也可以看出ArrayList是支持null的插入的。同样采用的是循环遍历来进行查找,时间复杂的为n。
contains方法,验证数组是否包含某元素,直接通过indexOf验证返回值即可
public boolean contains(Object o) { return indexOf(o) >= 0; }
lastIndexOf方法,和indexOf相对,indexOf是从前往后,lastIndexOf是从后面往前查找如下
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; }
toArray方法,就是把List转换成数组形式
public Object[] toArray() { return Arrays.copyOf(elementData, size); }
get和set方法,这个就很简单了大家看下就行
public E get(int index) { RangeCheck(index); return (E) elementData[index]; } public E set(int index, E element) { RangeCheck(index); E oldValue = (E) elementData[index]; elementData[index] = element; return oldValue; }
RangeCheck方法是进行验证的,查询的索引不可以超过数组的长度如下
private void RangeCheck(int index) { if (index >= size) throw new IndexOutOfBoundsException( "Index: "+index+", Size: "+size); }
add(E e)添加一个元素,这个采用尾插入,先验证容量,size+1是加入1个元素后长度,看原来数组容量是否够。
public boolean add(E e) { ensureCapacity(size + 1); // Increments modCount!! elementData[size++] = e; return true; }
add(int index, E element)按照索引进行插入,第一个还是一样进行扩容,然后把索引index后面的元素全部向后面移一位。System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
size - index);的意思就是将elementData的第index个元素移到第index+1个元素上,长度为size-index。
public void add(int index, E element) { if (index > size || index < 0) throw new IndexOutOfBoundsException( "Index: "+index+", Size: "+size); ensureCapacity(size+1); // Increments modCount!! System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index); elementData[index] = element; size++; }
addAll(Collection<? extends E> c)
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) { Object[] a = c.toArray(); int numNew = a.length; ensureCapacity(size + numNew); // Increments modCount System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew); size += numNew; return numNew != 0; }
首先把集合c转换成a数组,然后计算要进行添加的数组长度,其它的基本和添加元素一致。arraycopy(Object src, int srcPos,Object dest, int destPos,int length)
参数次数依次 源数组,源数组起始位置,目标数组,目标数组起始位置,复制数组元素数目。
addAll(int index, Collection<? extends E> c)把数组插入到指定位置
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) { if (index > size || index < 0) throw new IndexOutOfBoundsException( "Index: " + index + ", Size: " + size); Object[] a = c.toArray(); int numNew = a.length; ensureCapacity(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; }
首先判断是是否越界,然后和上面的基本一样,就是进行扩容判断,然后index后面的值进行后移包括index,然后留下的空间插入集合a。所以2次进行复制元素。
E remove(int index)和add相对,删除这个元素然后把index后面的元素往前面移一位size - index - 1其中-1是因为index这个元素会被删除,会少一位元素。
public E remove(int index) { RangeCheck(index); modCount++; E oldValue = (E) elementData[index]; int numMoved = size - index - 1; if (numMoved > 0) System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved); elementData[--size] = null; // Let gc do its work return oldValue; }
remove(Object o)这个就需要先进性验证然后找到这个元素的位置最后进行删除
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; }
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; // Let gc do its work }
clear就是把所有的原素置空
public void clear() { modCount++; // Let gc do its work for (int i = 0; i < size; i++) elementData[i] = null; size = 0; }
subList方法,我们知道ArrayList是有这个方法,在ArrayList源码并不存在,因为是继承AbstractList而来的
public ListsubList(int fromIndex, int toIndex) { return (this instanceof RandomAccess ? new RandomAccessSubList (this, fromIndex, toIndex) : new SubList (this, fromIndex, toIndex)); }
class SubListextends AbstractList { private AbstractList l; private int offset; private int size; private int expectedModCount; SubList(AbstractList list, int fromIndex, int toIndex) { if (fromIndex < 0) throw new IndexOutOfBoundsException("fromIndex = " + fromIndex); if (toIndex > list.size()) throw new IndexOutOfBoundsException("toIndex = " + toIndex); if (fromIndex > toIndex) throw new IllegalArgumentException("fromIndex(" + fromIndex + ") > toIndex(" + toIndex + ")"); l = list; offset = fromIndex; size = toIndex - fromIndex; expectedModCount = l.modCount; }
从代码中我们可以看出这个一个基本内部类的实现,subList只是去List中的一段数据。但是关于subList我们要注意几个事项。
第一:如果我们改变了List的数值,那么你获取的subList中的值也随之改变,原因如下
public E get(int index) { rangeCheck(index); checkForComodification(); return l.get(index+offset); }
因为获取的还是以前List中的数据。同样如果修改subList获取的数值,List同样改变,
第二:如果改变了List结构,可能导致subList的不可用,因为这些修改已然基于原来的list,他们共同用一个list数组。
public void add(int index, E element) { if (index<0 || index>size) throw new IndexOutOfBoundsException(); checkForComodification(); l.add(index+offset, element); expectedModCount = l.modCount; size++; modCount++; }
5:关于list删除错误分析
list在采用循环删除的时候会报ConcurrentModificationException异常,那么我们来看看具体原因,先看一段代码
Listlist = new ArrayList (); list.add("a"); list.add("b"); list.add("c"); list.add("d"); list.add("e"); for (String str:list){ list.remove(str); }
由于foreach遍历最终会for (Iterator it=iterator;iterators.hasNext();)模式那么所以获取元素的时候必然会用到迭代器中的next方法,next方法我们前面说了会有if(modCount!= expectedModCount)throw new ConcurrentModificationException()验证。因为调用remove(T x)方法时候modCount会+1,所以2次比较就会出现不一致。
正确写法如下
Iterator iterator=list.iterator(); while (iterator.hasNext()){ iterator.next(); iterator.remove(); }
为啥迭代器中remove就可以呢,是由于在remove代码中有expectedModCount = modCount这句代码。
6:ArrayList是线程安全吗
线程不安全就是指多个线程同时操作造成脏读,错读情况,很明显ArrayList是非线程安全的,比如说ArrayList现在只有一个值后,如果A,B2个线程同时删除这个值,A线程判断得到size=1,而此时时间片段到,CPU调用B线程执行发现size也是1,开始删除操作,然后A继续进行发现ArrayList已经空了就会报异常。或者添加等等。但是Vector是线程安全的,因为里面所有方法都加入了synchronized,这样造成的结果就是所有线程执行ArrayList方法都必须等待,直到获取同步锁才可以继续进行,这样一来性能大大降低。
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文章题目:Java中ArrayList类的源码解析
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