Java之ArrayList源碼淺析

時間  2021-02-14
標籤 java 數組 app dom ide 測試 this code element 欄目 Java 简体版
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ArrayList特色

  • 優勢：有序，訪問元素速度快.
  • 缺點：插入，刪除速度慢。

JDK1.8.131版本。java

首先查看ArrayList實例化方法相關代碼。數組

private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
transient Object[] elementData;
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
private int size;
public ArrayList() {
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
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);
    }
}
public ArrayList(Collection<? extends E> 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;
    }
}

默認無參構造方法。elementData實際存放數據元素,從這些能夠看出，ArrayList底層是用數組來實現，元素是連續的；這也體現了ArrayList有序，讀取快，固然數組維護角標，若是在ArrayList元素裏面隨機刪除個元素，就比較慢了。由於須要維護角標，因此被刪除元素後面元素的角標都須要-1。app

ArrayList擴容

咱們知道ArrayList底層是使用數組來實現的，可是數組是不可變；ArrayList是怎麼實現，動態改變數據元素的呢？這個經過示例（查看源碼）來講明問題以及緣由。dom

示例 1 添加元素

ArrayList<String> list = new ArrayList<String>();
list.add("a");

使用ArrayList的無參構造方法，初始化list集合,並使用add方法添加一個"a"元素。ide

首先，ArrayList先將內部的 elementData 初始化（elementData = {}），這個時候數組的長度是0，list集合的長度也是0.測試

而後，add方法添加元素，方法中先執行ensureCapacityInternal(size + 1)方法。this

add方法以及其涉及到的方法：code

/**
 * Appends the specified element to the end of this list.
 *
 * @param e element to be appended to this list
 * @return <tt>true</tt> (as specified by {@link Collection#add})
 */
public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

/**
 * Increments modCount!!
 */
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }

    ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;
    // overflow-conscious code
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);
}
/**
 * Increases the capacity to ensure that it can hold at least the
 * number of elements specified by the minimum capacity argument.
 *
 * @param minCapacity the desired minimum capacity
 */
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);
}

/**
 * The maximum size of array to allocate.
 * Some VMs reserve some header words in an array.
 * Attempts to allocate larger arrays may result in
 * OutOfMemoryError: Requested array size exceeds VM limit
 */
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
    if (minCapacity < 0) // overflow
        throw new OutOfMemoryError();
    return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
        Integer.MAX_VALUE :
        MAX_ARRAY_SIZE;
}

在ArrayList將元素添加到集合中以前，先執行了ensureCapacityInternal方法，執行這個方法的目的是檢查集合中元素（數組）是否是還能再插入一個元素，不能則擴容。ci

流程以下：element

先檢查elementData數組是不是默認初始化的數組，若是是則選擇默認初始化容量和最小容量數值大的那一個，再將數值賦值給minCapacity變量；若是elementData.lengh小於minCapacity，則擴容（grow）.每次擴容後的容量爲int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);（以前容量的1.5倍）。若是newCapacity（擴容後的容量）還小於（minCapacity），則直接將新容量定義爲minCapacity；若是newCapacity大於了MAX_ARRAY_SIZE，則比較minCapacity和MAX_ARRAY_SIZE的大小，大於則返回Integer.MAX_VALUE，不然返回MAX_ARRAY_SIZE，到此擴容後的數組長度肯定了，接着使用Arrays.copyOf方法，將以前元素，放入新的數組中，最後執行add方法中elementData[size++] = e，將元素放到集合中。至此添加元素流程完成。

示例 2 擴容次數

自頂一個ZArrayList,來模擬ArrayList。

public class ZArrayList<E> extends AbstractList<E>
    implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
    transient Object[] elementData;
    private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
    private int size;
    public ZArrayList() {
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
    public ZArrayList(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);
        }
    }
    public ZArrayList(Collection<? extends E> c) {
        elementData = c.toArray();
        if ((size = elementData.length) != 0) {
            if (elementData.getClass() != Object[].class)
                elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
        } else {
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        }
    }

    public boolean add(E e) {
        ensureCapacityInternal(size + 1);
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }
    private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
            minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }

        ensureExplicitCapacity(minCapacity);
    }

    private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        modCount++;
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
    }
    private int count = 0;
    private void grow(int minCapacity) {
        count +=1;
        int oldCapacity = elementData.length;
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            newCapacity = minCapacity;
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }
    private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

    private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
        if (minCapacity < 0) // overflow
            throw new OutOfMemoryError();
        return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
                Integer.MAX_VALUE :
                MAX_ARRAY_SIZE;
    }
    @Override
    public E get(int index) {
        return null;
    }
    @Override
    public int size() {
        return 0;
    }
}

首先定義全局變量int count = 0，在擴容方法grow中，使用count+=1，這樣能大體得出擴容次數。測試代碼

@Test
public void testCountList(){
    ZArrayList<Integer> zl = new ZArrayList<>();
    System.out.println("初始化："+zl.getCount()+"\t內部數組長度："+zl.elementData.length);
    for (int a=0;a< 1000000;a++){
        zl.add(a);
        log(zl, a);
    }
    System.out.println("---------------------");
    for (int b = 1000000; b>0;b--){
        zl.remove(zl.get(0));

        log(zl, b);
    }
}

private void log(ZArrayList<Integer> zl, int b) {
    if (b == 1){
        System.out.println("1次：\t"+zl.getCount()+"\t內部數組長度："+zl.elementData.length);
    } else if (b==100){
        System.out.println("100次：\t"+zl.getCount()+"\t內部數組長度："+zl.elementData.length);
    } else if (b == 1000){
        System.out.println("1000次：\t"+zl.getCount()+"\t內部數組長度："+zl.elementData.length);
    } else if (b == 10000){
        System.out.println("1萬次：\t"+zl.getCount()+"\t內部數組長度："+zl.elementData.length);
    } else if (b == 100000){
        System.out.println("10萬次：\t"+zl.getCount()+"\t內部數組長度："+zl.elementData.length);
    } else if (b == 1000000){
        System.out.println("100萬次：\t"+zl.getCount()+"\t內部數組長度："+zl.elementData.length);
    }
}

結果以下：

初始化：0   內部數組長度：0
1次： 1   內部數組長度：10
100次：   7   內部數組長度：109
1000次：  13  內部數組長度：1234
1萬次：    19  內部數組長度：14053
10萬次：   24  內部數組長度：106710
---------------------
100萬次：   30 內部數組長度：1215487
10萬次：    30 內部數組長度：1215487
1萬次：     30 內部數組長度：1215487
1000次：    30    內部數組長度：1215487
100次：     30    內部數組長度：1215487
1次：       30    內部數組長度：1215487

從這些數據能夠得出若是依次添加100個元素，大概會擴容7次，若是將數據依次刪除，可是list內部數組的長度不變。

特別注意：ArrayList內部數組Object[] elementData的長度不等於ArrayList的size，經過源碼能夠看到在add/addAll/remove/removeAll中都維護了一個size變量，這個纔是ArrayList元素的個數。

ArrayList設置默認容量

從上邊的分析中能夠得出，若是添加數據量比較大的話，最好是給ArrayList一個默認的初始容量，用以減小擴容的次數。

以此類推ArrayList的其餘方法addAll和remove方法，原理是類似的，再也不贅述。

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