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Java中的ArrayList集合源碼解析

 更新時(shí)間:2023年12月19日 09:29:58   作者:初念初戀  
這篇文章主要介紹了Java中的ArrayList集合源碼解析,ArrayList是一種以數(shù)組實(shí)現(xiàn)的List,與數(shù)組相比,它具有動(dòng)態(tài)擴(kuò)展的能力,因此也可稱之為動(dòng)態(tài)數(shù)組,需要的朋友可以參考下

前言

ArrayList是一種以數(shù)組實(shí)現(xiàn)的List,與數(shù)組相比,它具有動(dòng)態(tài)擴(kuò)展的能力,因此也可稱之為動(dòng)態(tài)數(shù)組。

在ArrayList集合里面可以存儲(chǔ)任何類型的數(shù)據(jù), 而且它是一個(gè)順序容器,存放的數(shù)據(jù)順序就是和我們放入的順序是一致的,而且它還允許我們放入null元素。

繼承體系

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
	{...}
  • ArrayList實(shí)現(xiàn)了List,提供了基礎(chǔ)的添加、刪除、遍歷等操作。
  • ArrayList實(shí)現(xiàn)了RandomAccess,提供了隨機(jī)訪問的能力。
  • ArrayList實(shí)現(xiàn)了Cloneable,可以被克隆。
  • ArrayList實(shí)現(xiàn)了Serializable,可以被序列化。

源碼解析

屬性

/**
	 * 默認(rèn)容量
	 */
	private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
	/**
	 * 空數(shù)組,如果傳入的容量為0時(shí)使用
	 */
	private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
	/**
	 * 空數(shù)組,傳傳入容量時(shí)使用,添加第一個(gè)元素的時(shí)候會(huì)重新初始為默認(rèn)容量大小
	 */
	private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
	/**
	 * 存儲(chǔ)元素的數(shù)組
	 */
	transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
	/**
	 * 集合中元素的個(gè)數(shù)
	 */
	private int size;

(1)DEFAULT_CAPACITY:默認(rèn)容量為10,也就是通過new ArrayList()創(chuàng)建時(shí)的默認(rèn)容量。

(2)EMPTY_ELEMENTDATA:空的數(shù)組,這種是通過new ArrayList(0)創(chuàng)建時(shí)用的是這個(gè)空數(shù)組。

(3)DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA:也是空數(shù)組,這種是通過new ArrayList()創(chuàng)建時(shí)用的是這個(gè)空數(shù)組,與EMPTY_ELEMENTDATA的區(qū)別是在添加第一個(gè)元素時(shí)使用這個(gè)空數(shù)組的會(huì)初始化為DEFAULT_CAPACITY(10)個(gè)元素。

(4)elementData:真正存放元素的地方。

(5)size:真正存儲(chǔ)元素的個(gè)數(shù),而不是elementData數(shù)組的長(zhǎng)度。

為什么ArrayList的elementData數(shù)組要加上transient修飾?

由于ArrayList有自動(dòng)擴(kuò)容機(jī)制,所以ArrayList的elementData數(shù)組大小往往比現(xiàn)有的元素?cái)?shù)量大,如果不加transient直接序列化的話會(huì)把數(shù)組中空余的位置也序列化了,浪費(fèi)不少的空間。

ArrayList中重寫了序列化和反序列化對(duì)應(yīng)的writeObject和readObject方法,在遍歷數(shù)組元素時(shí),以 size 作為結(jié)束標(biāo)志,只序列化ArrayList中已經(jīng)存在的元素。

ArrayList(int initialCapacity)構(gòu)造方法

public ArrayList(int initialCapacity) {
    if (initialCapacity > 0) {
        // 如果傳入的初始容量大于0,就新建一個(gè)數(shù)組存儲(chǔ)元素
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
    } else if (initialCapacity == 0) {
        // 如果傳入的初始容量等于0,使用空數(shù)組EMPTY_ELEMENTDATA
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    } else {
        // 如果傳入的初始容量小于0,拋出異常
        throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: " + initialCapacity);
    }
}

ArrayList()構(gòu)造方法

public ArrayList() {
    // 如果沒有傳入初始容量,則使用空數(shù)組DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
    // 使用這個(gè)數(shù)組是在添加第一個(gè)元素的時(shí)候會(huì)擴(kuò)容到默認(rèn)大小10
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

ArrayList 構(gòu)造方法

/**
* 把傳入集合的元素初始化到ArrayList中
*/
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
    // 集合轉(zhuǎn)數(shù)組
    elementData = c.toArray();
    if ((size = elementData.length) != 0) {
        // 檢查c.toArray()返回的是不是Object[]類型,如果不是,重新拷貝成Object[].class類型
        if (elementData.getClass() != Object[].class)
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
    } else {
        // 如果c的空集合,則初始化為空數(shù)組EMPTY_ELEMENTDATA
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
}

add(E e)方法

添加元素到末尾,平均時(shí)間復(fù)雜度為O(1)。

public boolean add(E e) {
    // 檢查是否需要擴(kuò)容
    ensureCapacityInternal(size + 1);
    // 把元素插入到最后一位
    elementData[size++] = e;
    return true;
}
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}
private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
    // 如果是空數(shù)組DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA,就初始化為默認(rèn)大小10
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    return minCapacity;
}
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        // 擴(kuò)容
        grow(minCapacity);
}
private void grow(int minCapacity) {
    int oldCapacity = elementData.length;
    // 新容量為舊容量的1.5倍
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    // 如果新容量發(fā)現(xiàn)比需要的容量還小,則以需要的容量為準(zhǔn)
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    // 如果新容量已經(jīng)超過最大容量了,則使用最大容量
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    // 以新容量拷貝出來一個(gè)新數(shù)組
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

add(int index, E element)方法

添加元素到指定位置,平均時(shí)間復(fù)雜度為O(n)。

public void add(int index, E element) {
    // 檢查是否越界
    rangeCheckForAdd(index);
    // 檢查是否需要擴(kuò)容
    ensureCapacityInternal(size + 1);
    // 將inex及其之后的元素往后挪一位,則index位置處就空出來了
    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                     size - index);
    // 將元素插入到index的位置
    elementData[index] = element;
    // 大小增1
    size++;
}
private void rangeCheckForAdd(int index) {
    if (index > size || index < 0)
        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}

ArrayList在新增的時(shí)候?yàn)槭裁绰?/p>

通過以上的源碼,我們可以看出ArrayList有指定index新增,也有直接新增的,在這之前他會(huì)有一步校驗(yàn)長(zhǎng)度的判斷ensureCapacityInternal,就是說如果長(zhǎng)度不夠,是需要擴(kuò)容的。

在擴(kuò)容的時(shí)候,老版本的jdk和8以后的版本是有區(qū)別的,8之后的效率更高了,采用了位運(yùn)算,右移一位,其實(shí)就是除以2這個(gè)操作。int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);新增后的數(shù)組容量是舊數(shù)組容量的1.5倍。

指定位置新增的時(shí)候,在校驗(yàn)之后的操作很簡(jiǎn)單,就是數(shù)組的copy,System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index);,為了更好的解釋,這里畫個(gè)圖,如下:

比如有下面這樣一個(gè)數(shù)組我需要在index 4 的位置去新增一個(gè)元素 a

image-20220302112943491

從代碼里面我們可以看到,它復(fù)制了一個(gè)數(shù)組,是從index 4 的位置開始的,然后把它放在了index 4+1 的位置

image-20220302113056958

給我們要新增的元素騰出了位置,然后在index的位置放入元素a就完成了新增的操作了。

image-20220302113127354

這只是在一個(gè)這么小的List里面操作,要是我去一個(gè)幾百幾千幾萬大小的List新增一個(gè)元素,那就需要后面所有的元素都復(fù)制,然后如果再涉及到擴(kuò)容啥的就更慢了不是嘛。

addAll 方法

求兩個(gè)集合的并集。

/**
* 將集合c中所有元素添加到當(dāng)前ArrayList中
*/
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
    // 將集合c轉(zhuǎn)為數(shù)組
    Object[] a = c.toArray();
    int numNew = a.length;
    // 檢查是否需要擴(kuò)容
    ensureCapacityInternal(size + numNew);
    // 將c中元素全部拷貝到數(shù)組的最后
    System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
    // 大小增加c的大小
    size += numNew;
    // 如果c不為空就返回true,否則返回false
    return numNew != 0;
}

get(int index)方法

獲取指定索引位置的元素,時(shí)間復(fù)雜度為O(1)。

public E get(int index) {
    // 檢查是否越界
    rangeCheck(index);
    // 返回?cái)?shù)組index位置的元素
    return elementData(index);
}
private void rangeCheck(int index) {
    if (index >= size)
        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
E elementData(int index) {
    return (E) elementData[index];
}

(1)檢查索引是否越界,這里只檢查是否越上界,如果越上界拋出IndexOutOfBoundsException異常,如果越下界拋出的是ArrayIndexOutOfBoundsException異常。

(2)返回索引位置處的元素;

remove(int index)方法

刪除指定索引位置的元素,時(shí)間復(fù)雜度為O(n)。

public E remove(int index) {
    // 檢查是否越界
    rangeCheck(index);
    modCount++;
    // 獲取index位置的元素
    E oldValue = elementData(index);
    // 如果index不是最后一位,則將index之后的元素往前挪一位
    int numMoved = size - index - 1;
    if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
    // 將最后一個(gè)元素刪除,幫助GC
    elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
    // 返回舊值
    return oldValue;
}

remove(Object o)方法

刪除指定元素值的元素,時(shí)間復(fù)雜度為O(n)。

public boolean remove(Object o) {
    if (o == null) {
        // 遍歷整個(gè)數(shù)組,找到元素第一次出現(xiàn)的位置,并將其快速刪除
        for (int index = 0; index < size; index++)
            // 如果要?jiǎng)h除的元素為null,則以null進(jìn)行比較,使用==
            if (elementData[index] == null) {
                fastRemove(index);
                return true;
            }
    } else {
        // 遍歷整個(gè)數(shù)組,找到元素第一次出現(xiàn)的位置,并將其快速刪除
        for (int index = 0; index < size; index++)
            // 如果要?jiǎng)h除的元素不為null,則進(jìn)行比較,使用equals()方法
            if (o.equals(elementData[index])) {
                fastRemove(index);
                return true;
            }
    }
    return false;
}
private void fastRemove(int index) {
    // 少了一個(gè)越界的檢查
    modCount++;
    // 如果index不是最后一位,則將index之后的元素往前挪一位
    int numMoved = size - index - 1;
    if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
    // 將最后一個(gè)元素刪除,幫助GC
    elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
}

(1)找到第一個(gè)等于指定元素值的元素;

(2)快速刪除,fastRemove(int index)相對(duì)于remove(int index)少了檢查索引越界的操作。

retainAll方法

求兩個(gè)集合的交集。

public boolean retainAll(Collection<?> c) {
    // 集合c不能為null
    Objects.requireNonNull(c);
    // 調(diào)用批量刪除方法,這時(shí)complement傳入true,表示刪除不包含在c中的元素
    return batchRemove(c, true);
}
/**
* 批量刪除元素
* complement為true表示刪除c中不包含的元素
* complement為false表示刪除c中包含的元素
*/
private boolean batchRemove(Collection<?> c, boolean complement) {
    final Object[] elementData = this.elementData;
    // 使用讀寫兩個(gè)指針同時(shí)遍歷數(shù)組
    // 讀指針每次自增1,寫指針放入元素的時(shí)候才加1
    // 這樣不需要額外的空間,只需要在原有的數(shù)組上操作就可以了
    int r = 0, w = 0;
    boolean modified = false;
    try {
        // 遍歷整個(gè)數(shù)組,如果c中包含該元素,則把該元素放到寫指針的位置(以complement為準(zhǔn))
        for (; r < size; r++)
            if (c.contains(elementData[r]) == complement)
                elementData[w++] = elementData[r];
    } finally {
        // 正常來說r最后是等于size的,除非c.contains()拋出了異常
        if (r != size) {
            // 如果c.contains()拋出了異常,則把未讀的元素都拷貝到寫指針之后
            System.arraycopy(elementData, r,
                             elementData, w,
                             size - r);
            w += size - r;
        }
        if (w != size) {
            // 將寫指針之后的元素置為空,幫助GC
            for (int i = w; i < size; i++)
                elementData[i] = null;
            modCount += size - w;
            // 新大小等于寫指針的位置(因?yàn)槊繉懸淮螌懼羔樉图?,所以新大小正好等于寫指針的位置)
            size = w;
            modified = true;
        }
    }
    // 有修改返回true
    return modified;
}

(1)遍歷elementData數(shù)組;

(2)如果元素在 c 中,則把這個(gè)元素添加到 elementData 數(shù)組的 w 位置并將 w 位置往后移一位;

(3)遍歷完之后,w 之前的元素都是兩者共有的,w 之后(包含)的元素不是兩者共有的;

(4)將 w 之后(包含)的元素置為null,方便 GC 回收;

removeAll

求兩個(gè)集合的單方向差集,只保留當(dāng)前集合中不在c中的元素,不保留在c中不在當(dāng)前集體中的元素。

public boolean removeAll(Collection<?> c) {
    // 集合c不能為空
    Objects.requireNonNull(c);
    // 同樣調(diào)用批量刪除方法,這時(shí)complement傳入false,表示刪除包含在c中的元素
    return batchRemove(c, false);
}

與retainAll(Collection<?> c)方法類似,只是這里保留的是不在c中的元素。

總結(jié)

(1)ArrayList內(nèi)部使用數(shù)組存儲(chǔ)元素,擴(kuò)容時(shí),每次加一半的空間,ArrayList不會(huì)進(jìn)行縮容。

(2)ArrayList支持隨機(jī)訪問,通過索引訪問元素極快,時(shí)間復(fù)雜度為O(1)。

(3)ArrayList添加元素到尾部極快,平均時(shí)間復(fù)雜度為O(1)。

(4)ArrayList添加元素到中間比較慢,因?yàn)橐嵋圃?,平均時(shí)間復(fù)雜度為O(n)。

(5)ArrayList從尾部刪除元素極快,時(shí)間復(fù)雜度為O(1)。

(6)ArrayList從中間刪除元素比較慢,因?yàn)橐嵋圃?,平均時(shí)間復(fù)雜度為O(n)。

(7)ArrayList支持求并集,調(diào)用addAll(Collection<? extends E> c)方法即可。

(8)ArrayList支持求交集,調(diào)用retainAll(Collection<? extends E> c)方法即可。

(7)ArrayList支持求單向差集,調(diào)用removeAll(Collection<? extends E> c)方法即可。

到此這篇關(guān)于Java中的ArrayList集合源碼解析的文章就介紹到這了,更多相關(guān)ArrayList源碼內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!

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