如何理解Java容器中ArrayList的源碼分析

這篇文章給大家介紹如何理解Java容器中List的源碼分析，內(nèi)容非常詳細(xì)，感興趣的小伙伴們可以參考借鑒，希望對(duì)大家能有所幫助。

如果沒(méi)有特別說(shuō)明，以下源碼分析基于 JDK 1.8。

一、ArrayList

1. 概覽

實(shí)現(xiàn)了 RandomAccess 接口，因此支持隨機(jī)訪問(wèn)。這是理所當(dāng)然的，因?yàn)?ArrayList 是基于數(shù)組實(shí)現(xiàn)的。

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

數(shù)組的默認(rèn)大小為 10。

private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

2. 擴(kuò)容

添加元素時(shí)使用 ensureCapacityInternal() 方法來(lái)保證容量足夠，如果不夠時(shí)，需要使用 grow() 方法進(jìn)行擴(kuò)容， 新容量的大小為 oldCapacity + (oldCapacity >> 1)，也就是舊容量的 1.5 倍。

擴(kuò)容操作需要調(diào)用 Arrays.copyOf() 把原數(shù)組整個(gè)復(fù)制到新數(shù)組中，這個(gè)操作代價(jià)很高，因此最好在創(chuàng)建 ArrayList 對(duì)象時(shí)就指定大概的容量大小，減少擴(kuò)容操作的次數(shù)。

public boolean add(E e) {
    //添加元素時(shí)使用 ensureCapacityInternal() 方法來(lái)保證容量足夠，
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    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++;
    // overflow-conscious code
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);
}
// grow() 方法進(jìn)行擴(kuò)容
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:
    //這個(gè)操作代價(jià)很高，因此最好在創(chuàng)建 ArrayList 對(duì)象時(shí)就指定大概的容量大小，減少擴(kuò)容操作的次數(shù)。
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

3. 刪除元素

需要調(diào)用 System.arraycopy() 將 index+1 后面的元素都向左移動(dòng)一位，該操作的時(shí)間復(fù)雜度為 O(N)，可以看出 ArrayList 刪除元素的代價(jià)是非常高的。

public E remove(int index) {
    rangeCheck(index);
    modCount++;
    E oldValue = elementData(index);
    //index+1 后面的元素都向左移動(dòng)一位 即index+1位置的后面元素個(gè)數(shù) (size-1)-(index+1)+1
    int numMoved = size - index - 1;
    if (numMoved > 0)
        //將 index+1后面的元素都向左移動(dòng)一位，原來(lái)的 （index+1）位置元素就移到 index位置
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
    elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
    return oldValue;
}

4. Fail-Fast

modCount 用來(lái)記錄 ArrayList 結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的次數(shù)。結(jié)構(gòu)發(fā)生變化是指添加或者刪除至少一個(gè)元素的所有操作，或者是調(diào)整內(nèi)部數(shù)組的大小，僅僅只是設(shè)置元素的值不算結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

在進(jìn)行序列化或者迭代等操作時(shí)，需要比較操作前后 modCount 是否改變， 如果改變了需要拋出 ConcurrentModificationException。

private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
    throws java.io.IOException{
    // Write out element count, and any hidden stuff
    //這里 記錄操作前的 modCount
    int expectedModCount = modCount;
    s.defaultWriteObject();
    // Write out size as capacity for behavioural compatibility with clone()
    s.writeInt(size);
    // Write out all elements in the proper order.
    for (int i=0; i<size; i++) {
        s.writeObject(elementData[i]);//操作
    }
    //這里的modCount是操作后的 modCount與之前的作比較
    if (modCount != expectedModCount) {
        throw new ConcurrentModificationException();
    }
}

5. 序列化

ArrayList 基于數(shù)組實(shí)現(xiàn)，并且具有動(dòng)態(tài)擴(kuò)容特性，因此保存元素的數(shù)組不一定都會(huì)被使用，那么就沒(méi)必要全部進(jìn)行序列化。

保存元素的數(shù)組 elementData 使用 transient 修飾，該關(guān)鍵字聲明數(shù)組默認(rèn)不會(huì)被序列化。

transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access

ArrayList 實(shí)現(xiàn)了 writeObject() 和 readObject() 來(lái)只序列化數(shù)組中有元素填充那部分內(nèi)容。

序列化時(shí)需要使用 ObjectOutputStream 的 writeObject() 將對(duì)象轉(zhuǎn)換為字節(jié)流并輸出。

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 size as capacity for behavioural compatibility with clone()
    s.writeInt(size);
    // Write out all elements in the proper order.
    for (int i=0; i<size; i++) {
        // 使用 ObjectOutputStream 的 writeObject() 將對(duì)象轉(zhuǎn)換為字節(jié)流并輸出。
        s.writeObject(elementData[i]);
    }
    if (modCount != expectedModCount) {
        throw new ConcurrentModificationException();
    }
}

反序列化使用的是 ObjectInputStream 的 readObject() 方法，原理類似。

private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
    throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
    elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    // Read in size, and any hidden stuff
    s.defaultReadObject();
    // Read in capacity
    s.readInt(); // ignored
    if (size > 0) {
        // be like clone(), allocate array based upon size not capacity
        //根據(jù)size來(lái)分配內(nèi)存，來(lái)控制只序列化數(shù)組中有元素填充那部分內(nèi)容
        ensureCapacityInternal(size);
        Object[] a = elementData;
        // Read in all elements in the proper order.
        for (int i=0; i<size; i++) {
            // 使用的是 ObjectInputStream 的 readObject() 方法進(jìn)行反序列化
            a[i] = s.readObject();
        }
    }
}

6.System.arraycopy()和Arrays.copyOf()方法

Arrays.copyOf() 的源代碼內(nèi)部調(diào)用了 System.arraycopy() 方法。

• System.arraycopy() 方法需要目標(biāo)數(shù)組，將原數(shù)組拷貝到目標(biāo)數(shù)組里，而且可以選擇拷貝的起點(diǎn)和長(zhǎng)度以及放入新數(shù)組中的位置；

• Arrays.copyOf() 是系統(tǒng)自動(dòng)在內(nèi)部創(chuàng)建一個(gè)數(shù)組，并返回這個(gè)新創(chuàng)建的數(shù)組。

二、Vector

1. 同步

它的實(shí)現(xiàn)與 ArrayList 類似，但是使用了 synchronized 進(jìn)行同步。

public synchronized boolean add(E e) {
    modCount++;
    ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
    elementData[elementCount++] = e;
    return true;
}
public synchronized E get(int index) {
    if (index >= elementCount)
        throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);
    return elementData(index);
}

2. 與 ArrayList 的比較

• Vector 是同步的，因此開(kāi)銷就比 ArrayList 要大，訪問(wèn)速度更慢。 最好使用 ArrayList 而不是 Vector，因?yàn)橥讲僮魍耆梢杂沙绦騿T自己來(lái)控制；

• Vector 每次擴(kuò)容新容量是舊容量的 2 倍空間，而 ArrayList 是 1.5 倍。

3. 替代方案

可以使用 Collections.synchronizedList(); 得到一個(gè)線程安全的 ArrayList。

List<String> list = new ArrayList<>();
List<String> synList = Collections.synchronizedList(list);

也可以使用 java.util.concurrent 并發(fā)包下的 CopyOnWriteArrayList 類。

List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();

三、LinkedList

1. 概覽

基于雙向鏈表實(shí)現(xiàn)，使用 Node 存儲(chǔ)鏈表節(jié)點(diǎn)信息。

private static class Node<E> {
    E item;
    Node<E> next;
    Node<E> prev;
}

每個(gè)鏈表存儲(chǔ)了 first 和 last 指針：

transient Node<E> first;
transient Node<E> last;

2. 添加元素

將元素添加到鏈表尾部

public boolean add(E e) {
    linkLast(e);//這里就只調(diào)用了這一個(gè)方法
    return true;
}

/**
 * e作為最后一個(gè)元素。
 */
void linkLast(E e) {
    final Node<E> l = last;
    final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
    last = newNode;//新建節(jié)點(diǎn),尾指針指向新節(jié)點(diǎn)
    //如果是空的雙向鏈表，則該節(jié)點(diǎn)既是尾節(jié)點(diǎn)，又是頭節(jié)點(diǎn)
    if (l == null)
        first = newNode;
    else
        l.next = newNode;//指向后繼元素也就是指向下一個(gè)元素
    size++;
    modCount++;
}

將元素添加到鏈表頭部

public void addFirst(E e) {
    linkFirst(e);
}

/**
* e元素作為頭元素
*/
private void linkFirst(E e) {
    final Node<E> f = first;
    final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);//新建節(jié)點(diǎn)，以頭節(jié)點(diǎn)為后繼節(jié)點(diǎn)
    first = newNode;
    //如果鏈表為空，last節(jié)點(diǎn)也指向該節(jié)點(diǎn)
    if (f == null)
        last = newNode;
    //否則，將頭節(jié)點(diǎn)的前驅(qū)指針指向新節(jié)點(diǎn)，也就是指向前一個(gè)元素
    else
        f.prev = newNode;
    size++;
    modCount++;
}

3. 刪除指定元素

public boolean remove(Object o) {
    //如果刪除對(duì)象為null
    if (o == null) {
        //從頭開(kāi)始遍歷
        for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
            //找到元素
            if (x.item == null) {
               //從鏈表中移除找到的元素
                unlink(x);
                return true;
            }
        }
    } else {
        //從頭開(kāi)始遍歷
        for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
            //找到元素
            if (o.equals(x.item)) {
                //從鏈表中移除找到的元素
                unlink(x);
                return true;
            }
        }
    }
    return false;
}

/**
* 注意：這個(gè)待刪除的節(jié)點(diǎn)是不是頭節(jié)點(diǎn)或者尾節(jié)點(diǎn)
*/
E unlink(Node<E> x) {
    // assert x != null;
    final E element = x.item;
    final Node<E> next = x.next;//得到后繼節(jié)點(diǎn)
    final Node<E> prev = x.prev;//得到前驅(qū)節(jié)點(diǎn)
    /**
    * 斷開(kāi)與 prev 的聯(lián)系
    */
    //如果刪除的節(jié)點(diǎn)是頭節(jié)點(diǎn),直接刪除該頭結(jié)點(diǎn)
    if (prev == null) {
        first = next; 
    } else {
        prev.next = next;//將前驅(qū)節(jié)點(diǎn)的后繼節(jié)點(diǎn)指向后繼節(jié)點(diǎn)
        x.prev = null; //TODO:十分重要
    }
    /**
    * 斷開(kāi)與 next 的聯(lián)系 
    */
    //如果刪除的節(jié)點(diǎn)是尾節(jié)點(diǎn),直接刪除該尾節(jié)點(diǎn)
    if (next == null) {
        last = prev;
    } else {
        next.prev = prev;
        x.next = null;
    }
    x.item = null;
    size--;
    modCount++;
    return element;
}

4. 與 ArrayList 的比較

• ArrayList 基于動(dòng)態(tài)數(shù)組實(shí)現(xiàn)，LinkedList 基于雙向鏈表實(shí)現(xiàn)；

• ArrayList 支持隨機(jī)訪問(wèn)，LinkedList 不支持；

• LinkedList 在任意位置添加刪除元素更快。

關(guān)于如何理解Java容器中List的源碼分析就分享到這里了，希望以上內(nèi)容可以對(duì)大家有一定的幫助，可以學(xué)到更多知識(shí)。如果覺(jué)得文章不錯(cuò)，可以把它分享出去讓更多的人看到。