ArrayList详解-源码分析

ArrayList详解-源码分析

1. 概述

在平时的开发中,用到最多的集合应该就是ArrayList了,本篇文章将结合源代码来学习ArrayList。

  • ArrayList是基于数组实现的集合列表
  • 支持任意性的访问(可根据索引直接得到你想要的元素)
  • 线程不安全
  • 支持动态扩容
  • 查询快,增删慢

这些大家应该都很清楚,下面根据源代码来深入分析一下ArrayList。

2. ArrayList类声明

源代码如下所示:

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

初步分析:

  1. ArrayList类继承于AbstractList抽象类
  2. ArrayList类实现了List、RandomAccess、Cloneable、Serializable接口

继续分析一下:

  • AbstractList抽象类其实已经实现了Collection接口中大部分方法
  • 实现了RandomAccess接口,所以支持任意性访问(随机访问)
  • 实现了Cloneable接口,说明重写了 clone()方法,支持拷贝(Cloneable 接口只是个合法调用 clone() 的标识(marker-interface),一个对象想调用clone()方法,则该类必须实现Cloneable 接口,否则会报错 CloneNotSupportedException
  • 实现了Serializable接口,支持序列化操作

3. 成员变量

源代码如下所示:

    private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;

    /**
     * Default initial capacity.
     */
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

    /**
     * Shared empty array instance used for empty instances.
     */
    private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

    /**
     * Shared empty array instance used for default sized empty instances. We
     * distinguish this from EMPTY_ELEMENTDATA to know how much to inflate when
     * first element is added.
     */
    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

    /**
     * The array buffer into which the elements of the ArrayList are stored.
     * The capacity of the ArrayList is the length of this array buffer. Any
     * empty ArrayList with elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
     * will be expanded to DEFAULT_CAPACITY when the first element is added.
     */
    transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access

    
    private int size;

初步思考:

  1. 一共有6个变量,各自的作用?

  2. 有两个空数组,只是命名不一样,为什么?

继续分析:

  1. 各个变量的作用:
    • serialVersionUID: 序列化版本号
    • DEFAULT_CAPACITY:默认容量大小
    • EMPTY_ELEMENTDATA:空数组时的引用
    • DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA:初始化时默认的空数组
    • elementData:实际存储集合元素的数组
    • size:实际元素的数量(int类型默认值为0
  2. 两个空数组:
    • 分别用于默认初始化和传入容量时的初始化

4. 构造方法

源代码如下所示:

    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() {
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }

    
    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;
        }
    }

初步思考:

  1. 提供了三个构造方法
  2. 分别对应无参构造、指定集合容量的构造以及通过Collection的子类来构造一个ArrayList对象

继续分析:

  1. 无参构造:

    • 直接将DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA的空数组赋值给elementData(注意:此时ArrayList的数组长度还是0
  2. 指定容量构造:

    • 参数大于0: 创建一个该参数大小的数组,赋值给elementData
    • 参数等于0: 将成员变量EMPTY_ELEMENTDATA数组赋值给elementData
    • 参数小于0: 抛出异常
  3. 传入Collection子类对象构造:

        public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
            /**
            *将传入的集合转换为一个Object类型的数组,并将此数组的引用赋给elementData
            */
            elementData = c.toArray();
            if ((size = elementData.length) != 0) {// 转换后的数组不为空时
                /**
                * 判断转换后的数组是不是Object[]数组
                * 如果不是的话,就把它复制为一个Object[]数组,进行赋值
                */
                if (elementData.getClass() != Object[].class)
                    elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
            } else {
                // 转换后的数组为空,用成员变量EMPTY_ELEMENTDATA来辅助
                this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
            }
        }
    

    toArray()方法源代码如下:

    public Object[] toArray() {
            return Arrays.copyOf(elementData, size);
        }
    

    Arrays类的copyOf()方法源代码如下:

     @SuppressWarnings("unchecked")
        public static <T> T[] copyOf(T[] original, int newLength) {
            // 此处的copyOf()调用了本类的重载方法
            return (T[]) copyOf(original, newLength, original.getClass());
        }
    

    重载方法源代码如下所示:

    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;
        }
    

    代码分析:

    • 使用三元运算符进行判断传入数组的类型

    • 如果传入的数组类型强转为Object[]数组为true,则创建一个Object[newLength]数组赋值给copy

    • 如果为false,则利用反射获取到传入数组的类型,创建一个该类型的指定长度的数组赋值给copy

  • 调用native方法进行赋值

  • 最后返回copy

    调用链最后调用到了native方法上:

    public static native void arraycopy(Object src,  int  srcPos,Object dest, int destPos,
                                            int length);
    /**
    * 参数说明:
    * src:源对象 
    * srcPos:源数组中的起始位置 
    * dest:目标数组对象 
    * destPos:目标数据中的起始位置 
    * length:要拷贝的数组元素的数量
    */
    

源代码中最后都调用到了native方法,只能看到方法名和参数,看不到具体的实现,对native方法做个简单的介绍吧。

native声明的接口方法: Java代码和本地C代码进行互操作的API,称为Java Native Interface (Java本地接口)。也就是说,带有native标记的方法,都是使用C语言来实现的,读者了解到这里即可,感兴趣的可以去查阅下相关资料,这里就不多阐述了。

5. 常用方法分析

  • add(E e)

源代码如下所示:

public boolean add(E e) {
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }

初步分析:

  1. 调用一个ensureCapacityInternal()方法,ensure Capacity Internal 直接谷歌翻译,意思是确保内部容量,此方法内应该就隐藏着ArrayList动态扩容的方法了!
  2. 将传入参数e,赋值给elementData[]数组中下标为size++的元素
  3. 返回true

继续跟踪ensureCapacityInternal()方法,该方法相关源代码如下所示:

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
            minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }

        ensureExplicitCapacity(minCapacity);
    }

分析:

  1. 先对elementData数组进行空数组判断,注意:这里是直接使用 ==运算符来进行判断的,回顾下前面讲到的ArrayList的无参构造方法
    public ArrayList() {
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }

发现了没?如果使用默认的构造方法,调用的是DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA空数组,执行add()方法之前,ArrayList数组的长度都是,添加第一个元素后,数组的长度就变为10了。

  1. 下一个方法是ensureExplicitCapacity(),我们继续跟踪。

该方法源代码如下所示:

    private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        modCount++;

        // overflow-conscious code
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
    }

初步分析:

  • 出现了一个前面没看到的变量modCount
  • 里面还有一个grow()方法,ArrayList能够动态扩容的原因就在这个方法里面了,八九不离十了!grow这个单词我还是认识的,哈哈哈~~~

继续分析:

  1. 经过追踪,发现modCount是ArrayList 的父类AbstractList的一个成员变量,作用是记录ArrayList的size变化,添加元素时,该变量会自增一次。
  2. minCapacity变量是要添加元素在elementData数组里的索引,当该变量值超过elementData数组长度的时候,elementData数组就要进行动态扩容了!

接下来,看下grow()方法的源代码,马上就要揭开ArrayList能够动态扩容的根本原因了,想想还有些激动,哈哈~

 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);
    }

分析:

  1. 将当前未添加新元素的elementData的数组长度赋值给oldCapacity变量,表示旧数组的容量

  2. 定义一个变量newCapacity,表示新数组的容量,新数组的容量大小为旧数组容量的1.5倍

    • 此处用到了移位操作,>>是移位运算符,表示带符号数右移
    • 向右移动n位,等同于除以2的n次方
  3. 此处需要注意一个地方,如果oldCapacity + (oldCapacity >> 1)执行的结果超过了int的最大值,即2的31次方减1,那么新数组的长度将变为负数

  4. 下面就是比较新数组容量和旧数组的容量,将较大的容量赋值给新数组

  5. 如果新数组的容量大小超过了定义的MAX_ARRAY_SIZE大小,那么将调用hugeCapacity()方法

代码如下:

private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
        if (minCapacity < 0) // overflow
            throw new OutOfMemoryError();
        return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
            Integer.MAX_VALUE :
            MAX_ARRAY_SIZE;
    }
  • 传入的容量是负数,考虑到了数值溢出,抛出异常

  • 传入的容量超过了MAX_ARRAY_SIZE大小,则将Integer.MAX_VALUE的值进行返回,否则返回MAX_ARRAY_SIZE

  1. 最后调用Arrays.copyOf()方法,将旧数组复制到新数组中,至此便完成了数组的动态扩容
  • add(int index, E element)

源代码如下所示:

    public void add(int index, E element) {
        rangeCheckForAdd(index);

        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                         size - index);
        elementData[index] = element;
        size++;
    }

基于add()方法的分析,分析如下:

  1. 判断索引是否越界
  2. 复制数组,进行移动
  3. 将传入参数赋值给指定下标的数组元素
  4. 集合长度加1

rangeCheckForAdd()方法源代码如下所示:

private void rangeCheckForAdd(int index) {
        if (index > size || index < 0)
            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
    }

分析如下:

  • 索引的上限是实际元素的长度,下限是0
  • 超过这两个边界值就会抛出异常

注意:由于此处判断范围上限取的实际元素的个数,那么就会造成一个情况,我们使用指定容量的构造方法,创建了一个ArrayList对象,然后使用add(int index, E element)方法时,当添加的index不是0时,就会报错

举例如下:

public static void main(String[] args) {
		
		List<String> a = new ArrayList<>(12);// 初始化指定了数组的容量为12
		a.add(5, "element");
		
	}
//结果如下:
//  Exception in thread "main" java.lang.IndexOutOfBoundsException: Index: 5, Size: 0
//	 at java.util.ArrayList.rangeCheckForAdd(ArrayList.java:661)
//	 at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:473)
//	 at test.TestAddArrayList.main(TestAddArrayList.java:11)
  • get(int index)

源代码如下所示:

public E get(int index) {
        rangeCheck(index);

        return elementData(index);
    }

private void rangeCheck(int index) {
        if (index >= size)
            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
    }

E elementData(int index) {
        return (E) elementData[index];
    }

简要分析:

  1. 首先判断索引是否在正确的范围之内,此处仅仅只是判断了上限为实际元素个数
    • 超过上限时的报错提示信息为 “Index: “+index+”, Size: “+size
    • 当index为负数时的报错提示信息则是:index,仅仅只是显示你访问的index值
  2. 调用elementData()方法,直接返回对应索引位置的元素
  • remove(int index)

源代码如下所示:

    public E remove(int index) {
        rangeCheck(index);

        modCount++;
        E oldValue = elementData(index);

        int numMoved = size - index - 1;
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                             numMoved);
        elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work

        return oldValue;
    }

分析:

  1. 首先对index进行判断是否在正确的范围内
  2. 移除元素使得数组长度发生了变化,所以modCount++
  3. 计算需要移动的元素个数
  4. 调用arraycopy()方法进行数组元素的复制和移动
  5. 将数组实际长度的最后一位元素赋值为null,方便GC进行回收
  6. 最后返回索引位置的元素

不难看出,移除元素实际上也是数组的复制和移动

  • indexOf(Object o)

源码如下所示:

public int indexOf(Object o) {
        if (o == null) {
            for (int i = 0; i < size; i++)
                if (elementData[i]==null)
                    return i;
        } else {
            for (int i = 0; i < size; i++)
                if (o.equals(elementData[i]))
                    return i;
        }
        return -1;
    }

indexOf方法是返回某元素在ArrayList对象里的下标(索引)。

分析:

  1. 区分两种情况

  2. 查询元素为null时,使用==运算符进行判断,返回索引

  3. 非null元素时,使用equals()方法来判断(ps:由此处调用的equals()方法,可以看出为什么不支持基本类型的元素

  4. 当查询的元素不存在列表中,返回-1

ArrayList中还有很多方法,篇幅有限,在此不再赘述。

6. 总结

ArrayList是开发中用的最多了一个集合类了,很多时候我们只是停留在使用上面,没有深入的去学习,分析,为什么是这样?为什么会这样?有时候遇到问题了,也只能两眼一抹黑,不知道具体原因是什么,多看源码,多学习,提高解决问题的能力,一点点的进步,就好。

© 版权声明
THE END
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