Java容器類研究4：ArrayList

java.util.ArrayList

ArrayList繼承自AbstractList，AbstractList爲隨機訪問數據的結構，如數組提供了基本實現，而且提供了Iterator。首先看AbstractList實現了什麼方法。

AbstractList

AbstractList裏能夠存儲null嗎

null能夠做爲一項存儲在ArrayList中。ListIterator是遍歷訪問AbstractList中元素較好的方式，須要注意獲取元素序號的方法是previousIndex，而不是nextIndex，由於以前有next方法的調用。還有，這裏判斷兩個元素是否相等採用的是equals方法，而不是==。

public int indexOf(Object o) {
        ListIterator<E> it = listIterator();
        if (o==null) {
            while (it.hasNext())
                if (it.next()==null)
                    return it.previousIndex();
        } else {
            while (it.hasNext())
                if (o.equals(it.next()))
                    return it.previousIndex();
        }
        return -1;
    }

ListIterator能夠逆序訪問元素

從後向前遍歷AbstractList，過程偏偏相反。

public int lastIndexOf(Object o) {
        ListIterator<E> it = listIterator(size());
        if (o==null) {
            while (it.hasPrevious())
                if (it.previous()==null)
                    return it.nextIndex();
        } else {
            while (it.hasPrevious())
                if (o.equals(it.previous()))
                    return it.nextIndex();
        }
        return -1;
    }

Iterator遍歷元素時，被其它線程修改了怎麼辦

若是在使用Iterator時，有其餘線程嘗試去修改List的大小，會被發現且當即拋出異常。

能夠看class Itr implements Iterator<E>中，有屬性int expectedModCount = modCount;記錄着指望的數組大小，若是不一致，會拋出ConcurrentModificationException。

Iterator在AbstractList中如何實現的

有兩個遊標分別記錄當前指向的位置和上一次指向的位置。

/**
         * Index of element to be returned by subsequent call to next.
         */
        int cursor = 0;

        /**
         * Index of element returned by most recent call to next or
         * previous.  Reset to -1 if this element is deleted by a call
         * to remove.
         */
        int lastRet = -1;

如何處理遍歷過程當中，刪除list中的元素致使的序號偏移

Iterator能夠正確的刪除AbstractList中的元素，而且保證訪問的順序的正確性。

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

            try {
                AbstractList.this.remove(lastRet);
                if (lastRet < cursor)
                    cursor--;
                lastRet = -1;
                expectedModCount = modCount;
            } catch (IndexOutOfBoundsException e) {
                throw new ConcurrentModificationException();
            }
        }

刪除的元素是上一個next調用後的元素，而且連續調用兩次remove會拋出異常，由於元素只能刪除一次，上次指向的元素已經沒有了。

ListIterator能夠添加元素

在class ListItr extends Itr implements ListIterator<E>中實現了向list添加元素的方法。添加的位置是上一次next返回的元素以後，下一個next以前。

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

            try {
                int i = cursor;
                AbstractList.this.add(i, e);
                lastRet = -1;
                cursor = i + 1;
                expectedModCount = modCount;
            } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
                throw new ConcurrentModificationException();
            }
        }

ArrayList

ArrayList用什麼來存儲元素

就是用了一個簡單的數組。。。

/**
     * The array buffer into which the elements of the ArrayList are stored.
     * The capacity of the ArrayList is the length of this array buffer. Any
     * empty ArrayList with elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
     * will be expanded to DEFAULT_CAPACITY when the first element is added.
     */
    transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access

如何節約ArrayList佔用的空間

使用trimToSize函數，將原始數組copy到適合大小的數組中。

/**
     * Trims the capacity of this <tt>ArrayList</tt> instance to be the
     * list's current size.  An application can use this operation to minimize
     * the storage of an <tt>ArrayList</tt> instance.
     */
    public void trimToSize() {
        modCount++;
        if (size < elementData.length) {
            elementData = (size == 0)
              ? EMPTY_ELEMENTDATA
              : Arrays.copyOf(elementData, size);
        }
    }

用Iterator遍歷ArrayList真的高效嗎

不能否認，Iterator爲遍歷一個集合提供了統一的接口，用戶能夠忽略集合內部的具體實現，可是過多的封裝會致使效率的下降。顯然，Java開發人員認爲經過下標遍歷ArrayList的數組結構更加高效。因此重寫了indexOf和lastIndexOf。

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;
    }

ArrayList的clone是淺copy

ArrayList只是新建了數組，copy了元素的引用，元素自己沒有進行copy。clone方法爲何不new一個ArrayList對象，而是調用了Object類的clone？由於Object的clone函數是native的，更高效。

/**
     * Returns a shallow copy of this <tt>ArrayList</tt> instance.  (The
     * elements themselves are not copied.)
     *
     * @return a clone of this <tt>ArrayList</tt> instance
     */
    public Object clone() {
        try {
            //使用Object的clone得到一個對象
            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);
        }
    }

ArrayList存儲空間的擴展策略

若是list初始沒有元素，使用一個靜態的空數組。元素增長時，空間擴展爲默認的10。在後續的擴展過程當中，容量會每次增長原始大小的1/2。

ArrayList實現了本身的iterator

雖然AbstractList實現了iterator，但ArrayList彷佛不太滿意，又從新實現了一遍。主要區別就是在獲取元素時，利用了數組結構的優點，能夠直接經過下標獲取元素，而沒必要經過調用方法。

用Spliterator分割遍歷ArrayList

ArrayList理所固然的實現了本身的Spliterator，也就是ArrayListSpliterator。分割的策略簡而言之爲：二分+延遲初始化。

ArrayListSpliterator有以下屬性:

this.list = list; // OK if null unless traversed 保存目標list
this.index = origin; //起始位置
this.fence = fence;  //終止位置
this.expectedModCount = expectedModCount;  //指望修改次數，用來判斷運行時是否有其它線程修改

每次從中間開始分裂。在進行分裂時，原始spliterator保留中部至末尾的元素，新的spliterator保留原起始位置到中部的元素。

public ArrayListSpliterator<E> trySplit() {
            int hi = getFence(), lo = index, mid = (lo + hi) >>> 1;
            return (lo >= mid) ? null : // divide range in half unless too small
                new ArrayListSpliterator<E>(list, lo, index = mid,
                                            expectedModCount);
        }

在第一次建立spliterator時，fence被初始爲-1，因此在實際使用spliterator時，getFence纔會被調用，從而fence纔會被賦值爲數組大小。一樣，expectedModCount也會進行從新賦值，使得spliterator在使用前與list保持一致。

private int getFence() { // initialize fence to size on first use
            int hi; // (a specialized variant appears in method forEach)
            ArrayList<E> lst;
            if ((hi = fence) < 0) {
                if ((lst = list) == null)
                    hi = fence = 0;
                else {
                    expectedModCount = lst.modCount;
                    hi = fence = lst.size;
                }
            }
            return hi;
        }

在遍歷list時，會調用方法tryAdvance，將動做施加於元素之上。該方法會檢查是否有其它線程的修改，在ArrayList中，有大量方法都會使用modCount來記錄修改，或者判斷是否在方法執行時有其它線程的修改，目前看來，用這個方法來檢測是否有並行修改使得list結構變化是有效的，能夠避免並行修改帶來的一些問題。

public boolean tryAdvance(Consumer<? super E> action) {
            if (action == null)
                throw new NullPointerException();
            int hi = getFence(), i = index;
            if (i < hi) {
                index = i + 1;
                @SuppressWarnings("unchecked") E e = (E)list.elementData[i];
                action.accept(e);
                if (list.modCount != expectedModCount)
                    throw new ConcurrentModificationException();
                return true;
            }
            return false;
        }