深入理解ArrayList

2021年1月15日 7点热度 0条评论 来源: Woo_home

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什么是ArrayList?

ArrayList的实现原理其实就是数组(动态数组),ArrayList的介绍及简单使用方法

动态数组与一般数组有什么区别?

与Java中的数组相比,ArrayList的容量能动态地增长

ArrayList效率怎么样?

ArrayList不是线程安全的,所以效率比较高 ,但是只能用于单线程的环境中,那多线程呢?别急,文末会讲到

ArrayList主要继承哪些类实现了哪些接口?

ArrayList主要继承了AbstractList类,实现了List、RandomAccess、Cloneable、Serializable接口

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable

RandomAccess的意思是其拥有快速访问的能力,ArrayList可以以 O(1)[^1]的时间复杂度去根据下标访问元素。由于ArrayList底层结构是数组,所以它占据了一块连续的内存空间,其长度就是数组的大小,因此它也有数组的缺点,在空间效率不高,但是也有它的优点,就是查询速度快,时间效率较快

ArrayList的常量与变量有哪些?

// 序列ID
private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;

// ArrayList默认的初始容量大小
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

// 空对象数组,用于空实例的共享空数组实例
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = { };

// 空对象数组,如果使用默认的构造函数创建,则默认对象内容是该值
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = { };

// 存放当前数据,不参与序列化
transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access

// list大小
private int size;

当集合中的元素超出数组规定的长度时,数组就会进行扩容操作,扩容操作就是ArrayList存储操作缓慢的原因,尤其是当数据量较大的时候,每次扩容消耗的时间会越来越多

ArrayList的构造方法有哪些?

一、ArrayList(int initialCapacity)

所以当我们要使用ArrayList时,可以 new ArrayList(大小)构造方法来指定集合的大小,以减少扩容的次数,提高写入效率,该构造函数的源码如下:

// 自定义初始容量的构造方法
public ArrayList(int initialCapacity) { 

    if (initialCapacity > 0) { 
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
    } else if (initialCapacity == 0) { 
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    } else { 
        // 如果初始容量小于0,则会出现 IllegalArgumentException 异常
        throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                           initialCapacity);
    }
}

这个构造函数还是比较好理解的,因为涉及到的代码也不多,而且都是一些基础的代码,相信聪明的你肯定看得懂的

二、ArrayList()

这个就更简单了,只有两行代码

// 默认的构造方法,构造一个初始容量为10的空列表
public ArrayList() { 
    // elementData 初始化为 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

三、ArrayList(Collection<? extends E> c)

// 构造一个包含指定元素的列表集合,按集合的返回顺序迭代器
// 传入参数为Collection对象
// c要将其元素放入此列表的集合
public ArrayList(Collection<? extends E> c) { 
    
    // 调用toArray()方法将Collection对象转换为Object[]
    elementData = c.toArray();
    
    // 判断size的大小,如果size值为0,则会抛出NullPointerException异常
    // 如果size > 0 ,则执行以下代码
    if ((size = elementData.length) != 0) { 
        // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
        if (elementData.getClass() != Object[].class)
            
            // 执行Arrays.copyOf,把Collection对象的内容copy到elementData中
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
    } else { 
        // replace with empty array.
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
}

ArrayList的方法有哪些?

add()

单个add()
// 添加单个元素,添加元素之前会先检查容量,如果容量不足则调用grow方法
public boolean add(E e) { 
    // 判断添加后的长度是否需要扩容
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    // 然后在数组末尾添加当前元素,并且修改size的大小
    elementData[size++] = e;
    // 返回布尔值true
    return true;
}

add()方法中主要用到了一个新的方法——ensureCapacityInternal,来看下ensureCapacityInternal的源码:

// 判断是否需要扩容
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) { 
    // 执行 calculateCapacity
    ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}

而 ensureCapacityInternal 主要调用的是 ensureExplicitCapacity 方法和 calculateCapacity 方法,我们先看下calculateCapacity 方法

// 判断是否是第一次初始化数组
private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) { 
    
    // 判断当前数组是否等于空的数组
    // 注意:这里的 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 并不是 EMPTY_ELEMENTDATA,不过并无太大差别,只是为了 区分何时需要扩容而已
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) { 
        
        // 取其中最大的值作为判断本次是否需要扩容的依据,由于第一次数组是空的,所以默认要使数组扩容到10的长度
        return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    return minCapacity;
}

点击ensureCapacityInternal中的ensureExplicitCapacity,可以看到来到了 ensureExplicitCapacity 方法,而 ensureExplicitCapacity 主要调用的就是上面所说的 grow 方法,源码如下:

// 判断扩容的方法
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) { 
    
    // 如果需要扩容modCount自增,这个参数是指当前列表的结构被修改的次数
    modCount++;

    // overflow-conscious code
    // 判断当前数据量是否大于数组的长度,如果是,进行扩容
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        // 执行扩容操作
        grow(minCapacity);
}

grow方法源码如下:

// grow扩容方法
private void grow(int minCapacity) { 
    // overflow-conscious code
    // 记录扩容前的数组长度
    int oldCapacity = elementData.length;
    
    // 将原数组的长度扩大1.5倍作为扩容后数组的长度(如果扩容钱数组长度为10,那么经过扩容后的数组长度应该为15)
    // 这里涉及到异或运算,不懂的朋友可以看下这篇文章 https://blog.csdn.net/Woo_home/article/details/103146845
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    
    // 如果扩容后的长度小于当前的数据量
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        //那么就将当前的数据量的长度作为本次扩容的长度
        newCapacity = minCapacity;
    
    // 判断新数组的长度是否大于可分配数组的最大值
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        // 将扩容长度设置为最大可用长度
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
    // 拷贝,扩容,构建一个新的数组
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

grow方法调用的hugeCapacity源码如下:

//如果新数组长度超过当前数组定义的最大长度时
private static int hugeCapacity(int minCapacity) { 
    
    // 抛出OOM异常
    if (minCapacity < 0) // overflow
        throw new OutOfMemoryError();
    
    // 将扩容长度设置为Interger.MAX_VALUE,也就是int的最大长度
    return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
        Integer.MAX_VALUE :
    MAX_ARRAY_SIZE;
}

copyOf(T[] original, int newLength) 扩容方法

public static <T> T[] copyOf(T[] original, int newLength) { 
	return (T[]) copyOf(original, newLength, original.getClass());
}
public static <T,U> T[] copyOf(U[] original, int newLength, Class<? extends T[]> newType) { 
    @SuppressWarnings("unchecked")
    T[] copy = ((Object)newType == (Object)Object[].class)
        ? (T[]) new Object[newLength]
        : (T[]) Array.newInstance(newType.getComponentType(), newLength);
    System.arraycopy(original, 0, copy, 0,
                     Math.min(original.length, newLength));
    return copy;
}
指定add()
public void add(int index, E element) { 
    //判断下标是否越界,如果是则抛出IndexOutOfBoundsException异常
    rangeCheckForAdd(index);
    
	// 判断是否需要扩容,上面讲到过,这里不再解释
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    
    // 拷贝数组,将下标后面的元素全部向后移动一位
    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                     size - index);
    
    // 将元素插入到当前下标的位置
    elementData[index] = element;
    size++;
}

rangeCheckForAdd方法

// 判断下标是否越界,如果是则抛出IndexOutOfBoundsException异常
private void rangeCheckForAdd(int index) { 
    if (index > size || index < 0)
        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
添加多个元素addAll()
// 添加多个元素
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) { 
    return addAll(this.size, c);
}

// 添加多个元素到指定下标
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) { 
    
    // 判断下标是否越界,上面提到过
    rangeCheckForAdd(index);
    
    // 判断c的大小是否大于0
    int cSize = c.size();
    
    // 如果等于0 返回 false
    if (cSize==0)
        return false;

    checkForComodification();
    
    // 将元素插入到数组中
    parent.addAll(parentOffset + index, c);
    
    // 将修改次数赋值给 modCount
    this.modCount = parent.modCount;
    
    // size大小加一
    this.size += cSize;
    return true;
}
private void checkForComodification() { 
    // 如果修改的次数不相等
    if (ArrayList.this.modCount != this.modCount)
        // 则抛出ConcurrentModificationException(并发修改)异常
        throw new ConcurrentModificationException();
}

总结:

在进行 add 操作时先判断下标是否越界,是否需要扩容,如果需要扩容,就复制数组,然后设置对应的下标元素值

扩容:默认扩容一半,如果扩容一半不够的话,就用目标的size作为扩容后的容量

get()

// 先判断下标索引
public E get(int index) { 
    // 调用rangeCheck判断是否超出了Object数组长度
    rangeCheck(index);

    // 调用 elementData 方法
    return elementData(index);
}
private void rangeCheck(int index) { 
    // 如果超出了Object数组的长度
    if (index >= size)
        // 则抛出 IndexOutOfBoundsException(数组下标越界)异常
        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
// 通过下标索引找到对应的元素值,返回指定元素
E elementData(int index) { 
    return (E) elementData[index];
}

set()

public E set(int index, E element) { 
    // 调用rangeCheck判断是否超出范围,上面讲到过,不懂的同学往上翻翻
    rangeCheck(index);

    // 返回指定元素,上面也讲到过
    E oldValue = elementData(index);
    elementData[index] = element;
    return oldValue;
}

remove()

// 删除元素
public E remove(int index) { 
    // 调用rangeCheck方法判断是否超出范围,上面讲到过
    rangeCheck(index);
    
    modCount++;
    // 位置访问操作
    E oldValue = elementData(index);

    // 计算移除元素后需要移动的元素个数
    int numMoved = size - index - 1;
    if (numMoved > 0)
        // 通过 System.arraycopy 方法将后面的元素往前移动一位
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                         numMoved);
    
    // 最后一位赋值为null
    elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work

    // 返回移除后元素的值
    return oldValue;
}
// 删除对象
public boolean remove(Object o) { 
    // 如果对象为null
    if (o == null) { 
        // 遍历整个list去匹配移除的值
        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;
}

fastRemove源码如下:

/** * 私有删除方法,跳过边界检查并且不返回删除的值。 */
private void fastRemove(int index) { 
    modCount++;
    // 位置访问操作
    int numMoved = size - index - 1;
    if (numMoved > 0)
        // 通过 System.arraycopy 方法将后面的元素往前移动一位
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                         numMoved);
    elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
}

Iterator

// ArrayList中的迭代器
public Iterator<E> iterator() { 
    // 主要返回一个Itr类
    return new Itr();
}

Itr类源码如下:

private class Itr implements Iterator<E> { 
    int cursor;       // 下一个要返回的元素的索引
    int lastRet = -1; // 返回的最后一个元素的索引; -1(如果没有)
    int expectedModCount = modCount;

    Itr() { }

    // 判断是否还有下一个元素
    public boolean hasNext() { 
        // 通过判断以下一个下标是否为数组大小,返回布尔值
        return cursor != size;
    }

    @SuppressWarnings("unchecked")
    // 获取下一个元素
    public E next() { 
        // 调用checkForComodification方法检查修改的次数是否一致
        checkForComodification();
        
        // 定义下一个元素的下标
        int i = cursor;
        
        // 判断下标,如果下标大于ArrayList包含的元素个数
        if (i >= size)
            // 抛出 NoSuchElementException (没有这样的元素异常)异常
            throw new NoSuchElementException();
        
        // 定义elementData 为ArrayList的数组
        Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
        
        // 再次判断下标,如果此次判断不一致则说明数组被修改过
        if (i >= elementData.length)
            // 抛出 ConcurrentModificationException (并发修改)异常
            throw new ConcurrentModificationException();
        
        // 定义下一个元素的下标
        cursor = i + 1;
        
        // 将lastRet定义为下一个元素的下标(返回的最后一个元素的下标),然后返回下标对应的值
        return (E) elementData[lastRet = i];
    }

    // 移除当前元素
    public void remove() { 
        // 如果没有元素
        if (lastRet < 0)
            // 则抛出 IllegalStateException 异常
            throw new IllegalStateException();
        // 又来了,调用 checkForComodification,上面讲到过,用于判断修改次数是否一致
        checkForComodification();

        try { 
            // 调用ArrayList的remove方法
            //如果在遍历外remove会导致Itr中的expectedModCount没有修改则抛出异常
            ArrayList.this.remove(lastRet);
            
            // 定义下一个元素的下标为当前下标
            cursor = lastRet;
            
            // 定义上个遍历下标为-1
            lastRet = -1;
            expectedModCount = modCount;
        } catch (IndexOutOfBoundsException ex) { 
            throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }
}
final void checkForComodification() { 
    // 判断当前Itr修改次数和ArrayList是否一致
    if (modCount != expectedModCount)
        // 不一致则抛出ConcurrentModificationException(并发修改异常)异常
        throw new ConcurrentModificationException();
}

ArrayList是线程安全的吗?

不,ArrayList不是线程安全的,而且ArrayList允许元素为null

ArrayList如何实现线程安全?

上上面说过ArrayList不是线程安全的,所以效率较高,但是只能适用于单线程,那么多线程怎么办呢?, 多线程可以使用 Collections.synchronizedList(List list) 函数返回一个线程安全的 ArrayList 集合,或者使用 concurrent 并发包下的CopyOnWriteArrayList,如下:

//使用Collections.synchronizedList(List list)方法实现线程安全
List<?> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());

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    原文作者:Woo_home
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