Java中的ArrayList集合源碼解析
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

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

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。

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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