面試必備：ArrayList源碼解析（JDK8）

時間 2019-12-12

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面試必備：ArrayList源碼解析（JDK8）

https://blog.csdn.net/zxt0601/article/details/77281231java

概述好久沒有寫博客了，準確的說17年以來寫博客的頻率下降到一個不忍直視的水平。這個真不怪我，給你們解釋一下。一是自從作了leader，成天各類事，開會，過需求，無限循環。心很累，時間也被無線壓榨二我自己也在學習一些其餘的技術，好比ReactNative，也看了半天的kotlin，擼了幾個groovy腳本、gradle插件。三是打算找工做了。又要開始複習數據結構和算法。
得，腦海中有不少躺了無數天的，甚至半成稿的博客，好比組件化、Rxjava一些使用注意點，都被我擱置delay了。這眼瞧着，好久沒寫了，寫點啥吧。
正巧最近在看jdk的Collection集合源碼，這種單個類的源碼解析，寫起來還算比較方便。關鍵代碼處加上註釋，核心處作個總結，就能夠成文，拿出來和你們討論分享。且網上絕大多數都是JDK7甚至以前的源碼解析文章。我們也要與時俱進。這彷佛是我回歸博客的一個不錯選擇。
那下面就跟我一塊兒擼起ArrayList的源碼吧。
本文將從幾個經常使用方法下手，來閱讀ArrayList的源碼。按照從構造方法->經常使用API（增、刪、改、查）的順序來閱讀源碼，並會講解閱讀方法中涉及的一些變量的意義。瞭解ArrayList的特色、適用場景。
若是本文中有不正確的結論、說法，請你們提出和我討論，共同進步，謝謝。
概要歸納的說，ArrayList 是一個動態數組，它是線程不安全的，容許元素爲null。其底層數據結構依然是數組，它實現了List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable接口，其中RandomAccess表明了其擁有隨機快速訪問的能力，ArrayList能夠以O(1)的時間複雜度去根據下標訪問元素。
因其底層數據結構是數組，因此可想而知，它是佔據一塊連續的內存空間（容量就是數組的length），因此它也有數組的缺點，空間效率不高。
因爲數組的內存連續，能夠根據下標以O1的時間讀寫(改查)元素，所以時間效率很高。
當集合中的元素超出這個容量，便會進行擴容操做。擴容操做也是ArrayList 的一個性能消耗比較大的地方，因此若咱們能夠提早預知數據的規模，應該經過public ArrayList(int initialCapacity) {}構造方法，指定集合的大小，去構建ArrayList實例，以減小擴容次數，提升效率。
或者在須要擴容的時候，手動調用public void ensureCapacity(int minCapacity) {}方法擴容。不過該方法是ArrayList的API，不是List接口裏的，因此使用時須要強轉: ((ArrayList)list).ensureCapacity(30);
當每次修改結構時，增長致使擴容，或者刪，都會修改modCount。
構造方法 //默認構造函數裏的空數組 private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
//存儲集合元素的底層實現：真正存放元素的數組 transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access //當前元素數量 private int size;
//默認構造方法 public ArrayList() { //默認構造方法只是簡單的將空數組賦值給了elementData this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA; }
//空數組 private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {}; //帶初始容量的構造方法 public ArrayList(int initialCapacity) { //若是初始容量大於0，則新建一個長度爲initialCapacity的Object數組. //注意這裏並無修改size(對比第三個構造函數) if (initialCapacity > 0) { this.elementData = new Object[initialCapacity]; } else if (initialCapacity == 0) {//若是容量爲0，直接將EMPTY_ELEMENTDATA賦值給elementData this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA; } else {//容量小於0，直接拋出異常 throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+ initialCapacity); } }
//利用別的集合類來構建ArrayList的構造函數 public ArrayList(Collection<? extends E> c) { //直接利用Collection.toArray()方法獲得一個對象數組，並賦值給elementData   elementData = c.toArray(); //由於size表明的是集合元素數量，因此經過別的集合來構造ArrayList時，要給size賦值 if ((size = elementData.length) != 0) { // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652) if (elementData.getClass() != Object[].class)//這裏是當c.toArray出錯，沒有返回Object[]時，利用Arrays.copyOf 來複制集合c中的元素到elementData數組中 elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class); } else { //若是集合c元素數量爲0，則將空數組EMPTY_ELEMENTDATA賦值給elementData   // replace with empty array. this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA; } }123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445小結一下，構造函數走完以後，會構建出數組elementData和數量size。
這裏你們要注意一下Collection.toArray()這個方法，在Collection子類各大集合的源碼中，高頻使用了這個方法去得到某Collection的全部元素。
關於方法：Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class)，就是根據class的類型來決定是new 仍是反射去構造一個泛型數組，同時利用native函數，批量賦值元素至新數組中。以下：
public static <T,U> T[] copyOf(U[] original, int newLength, Class<? extends T[]> newType) { @SuppressWarnings("unchecked") //根據class的類型來決定是new 仍是反射去構造一個泛型數組 T[] copy = ((Object)newType == (Object)Object[].class) ? (T[]) new Object[newLength] : (T[]) Array.newInstance(newType.getComponentType(), newLength); //利用native函數，批量賦值元素至新數組中。 System.arraycopy(original, 0, copy, 0, Math.min(original.length, newLength)); return copy; }1234567891011值得注意的是，System.arraycopy也是一個很高頻的函數，你們要留意一下。
public static native void arraycopy(Object src, int srcPos, Object dest, int destPos, int length);123經常使用API1 增每次 add以前，都會判斷add後的容量，是否須要擴容。
public boolean add(E e) { ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!! elementData[size++] = e;//在數組末尾追加一個元素，並修改size return true;} private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;//默認擴容容量 10 private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) { //利用 == 能夠判斷數組是不是用默認構造函數初始化的 if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) { minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity); }
ensureExplicitCapacity(minCapacity); }

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) { modCount++;//若是肯定要擴容，會修改modCount
// overflow-conscious code if (minCapacity - elementData.length > 0) grow(minCapacity);}
//須要擴容的話，默認擴容一半private void grow(int minCapacity) { // overflow-conscious code int oldCapacity = elementData.length; int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);//默認擴容一半 if (newCapacity - minCapacity < 0)//若是還不夠，那麼就用能容納的最小的數量。（add後的容量） 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);//拷貝，擴容，構建一個新數組，}123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536
public void add(int index, E element) { rangeCheckForAdd(index);//越界判斷若是越界拋異常
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!! System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index); //將index開始的數據向後移動一位 elementData[index] = element; size++;}12345678910public boolean addAll(Collection<? extends E> c) { Object[] a = c.toArray(); int numNew = a.length; ensureCapacityInternal(size + numNew); // Increments modCount //確認是否須要擴容 System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);// 複製數組完成複製 size += numNew; return numNew != 0;}12345678public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) { rangeCheckForAdd(index);//越界判斷
Object[] a = c.toArray(); int numNew = a.length; ensureCapacityInternal(size + numNew); // Increments modCount //確認是否須要擴容
int numMoved = size - index; if (numMoved > 0) System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew, numMoved);//移動（複製)數組
System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);//複製數組完成批量賦值 size += numNew; return numNew != 0;}12345678910111213141516總結： add、addAll。先判斷是否越界，是否須要擴容。若是擴容，就複製數組。而後設置對應下標元素值。
值得注意的是： 1 若是須要擴容的話，默認擴容一半。若是擴容一半不夠，就用目標的size做爲擴容後的容量。 2 在擴容成功後，會修改modCount
2 刪public E remove(int index) { rangeCheck(index);//判斷是否越界 modCount++;//修改modeCount 由於結構改變了 E oldValue = elementData(index);//讀出要刪除的值 int numMoved = size - index - 1; if (numMoved > 0) System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);//用複製覆蓋數組數據 elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work //置空原尾部數據再也不強引用，能夠GC掉 return oldValue;} //根據下標從數組取值並強轉 E elementData(int index) { return (E) elementData[index]; }
//刪除該元素在數組中第一次出現的位置上的數據。若是有該元素返回true，若是false。public boolean remove(Object o) { if (o == null) { for (int index = 0; index < size; index++) if (elementData[index] == null) { fastRemove(index);//根據index刪除元素 return true; } } else { for (int index = 0; index < size; index++) if (o.equals(elementData[index])) { fastRemove(index); return true; } } return false;}//不會越界不用判斷，也不須要取出該元素。private void fastRemove(int index) { modCount++;//修改modCount int numMoved = size - index - 1;//計算要移動的元素數量 if (numMoved > 0) System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);//以複製覆蓋元素完成刪除 elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work //置空再也不強引用}
//批量刪除public boolean removeAll(Collection<?> c) { Objects.requireNonNull(c);//判空 return batchRemove(c, false);}//批量移動private boolean batchRemove(Collection<?> c, boolean complement) { final Object[] elementData = this.elementData; int r = 0, w = 0;//w 表明批量刪除後數組還剩多少元素 boolean modified = false; try { //高效的保存兩個集合公有元素的算法 for (; r < size; r++) if (c.contains(elementData[r]) == complement) // 若是 c裏不包含當前下標元素，   elementData[w++] = elementData[r];//則保留 } finally { // Preserve behavioral compatibility with AbstractCollection, // even if c.contains() throws. if (r != size) { //出現異常會致使 r !=size , 則將出現異常處後面的數據所有複製覆蓋到數組裏。 System.arraycopy(elementData, r, elementData, w, size - r); w += size - r;//修改 w數量 } if (w != size) {//置空數組後面的元素 // clear to let GC do its work for (int i = w; i < size; i++) elementData[i] = null; modCount += size - w;//修改modCount size = w;// 修改size modified = true; } } return modified;}123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960616263646566676869707172737475767778從這裏咱們也能夠看出，當用來做爲刪除元素的集合裏的元素多餘被刪除集合時，也沒事，只會刪除它們共同擁有的元素。
小結： 1 刪除操做必定會修改modCount，且可能涉及到數組的複製，相對低效。 2 批量刪除中，涉及高效的保存兩個集合公有元素的算法，能夠留意一下。
3 改不會修改modCount，相對增刪是高效的操做。
public E set(int index, E element) { rangeCheck(index);//越界檢查 E oldValue = elementData(index); //取出元素   elementData[index] = element;//覆蓋元素 return oldValue;//返回元素}1234564 查不會修改modCount，相對增刪是高效的操做。
public E get(int index) { rangeCheck(index);//越界檢查 return elementData(index); //下標取數據}E elementData(int index) { return (E) elementData[index];}12345675 清空，clear會修改modCount。
public void clear() { modCount++;//修改modCount // clear to let GC do its work for (int i = 0; i < size; i++) //將全部元素置null elementData[i] = null;
size = 0; //修改size }123456786 包含 contain//普通的for循環尋找值，只不過會根據目標對象是否爲null分別循環查找。public boolean contains(Object o) { return indexOf(o) >= 0;}//普通的for循環尋找值，只不過會根據目標對象是否爲null分別循環查找。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;}12345678910111213141516177 判空 isEmpty()public boolean isEmpty() { return size == 0;}1238 迭代器 Iterator.public Iterator<E> iterator() { return new Itr();}/** * An optimized version of AbstractList.Itr */private class Itr implements Iterator<E> { int cursor; // index of next element to return //默認是0 int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such //上一次返回的元素 (刪除的標誌位) int expectedModCount = modCount; //用於判斷集合是否修改過結構的標誌
public boolean hasNext() { return cursor != size;//遊標是否移動至尾部 }
@SuppressWarnings("unchecked") public E next() { checkForComodification(); int i = cursor; if (i >= size)//判斷是否越界 throw new NoSuchElementException(); Object[] elementData = ArrayList.this.elementData; if (i >= elementData.length)//再次判斷是否越界，在咱們這裏的操做時，有異步線程修改了List throw new ConcurrentModificationException(); cursor = i + 1;//遊標+1 return (E) elementData[lastRet = i];//返回元素，並設置上一次返回的元素的下標 }
public void remove() {//remove 掉上一次next的元素 if (lastRet < 0)//先判斷是否next過 throw new IllegalStateException(); checkForComodification();//判斷是否修改過
try { ArrayList.this.remove(lastRet);//刪除元素 remove方法內會修改 modCount 因此後面要更新Iterator裏的這個標誌值 cursor = lastRet; //要刪除的遊標 lastRet = -1; //不能重複刪除因此修改刪除的標誌位 expectedModCount = modCount;//更新判斷集合是否修改的標誌， } catch (IndexOutOfBoundsException ex) { throw new ConcurrentModificationException(); } }//判斷是否修改過了List的結構，若是有修改，拋出異常 final void checkForComodification() { if (modCount != expectedModCount) throw new ConcurrentModificationException(); }}123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748總結增刪改查中，增致使擴容，則會修改modCount，刪必定會修改。改和查必定不會修改modCount。擴容操做會致使數組複製，批量刪除會致使找出兩個集合的交集，以及數組複製操做，所以，增、刪都相對低效。而改、查都是很高效的操做。所以，結合特色，在使用中，以Android中最經常使用的展現列表爲例，列表滑動時須要展現每個Item（element）的數組，因此查操做是最高頻的。相對來講，增操做只有在列表加載更多時纔會用到，並且是在列表尾部插入，因此也不須要移動數據的操做。而刪操做則更低頻。故選用ArrayList做爲保存數據的結構。在面試中還有可能會問到和Vector的區別，我大體看了一下Vector的源碼，內部也是數組作的，區別在於Vector在API上都加了synchronized因此它是線程安全的，以及Vector擴容時，是翻倍size，而ArrayList是擴容50%。--------------------- 做者：張旭童來源：CSDN 原文：https://blog.csdn.net/zxt0601/article/details/77281231?utm_source=copy 版權聲明：本文爲博主原創文章，轉載請附上博文連接！面試