Java之ArrayList源码浅析

时间  2021-02-14
标签 java 数组 app dom ide 测试 this code element 栏目 Java 繁體版
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ArrayList特色

  • 优势：有序，访问元素速度快.
  • 缺点：插入，删除速度慢。

JDK1.8.131版本。java

首先查看ArrayList实例化方法相关代码。数组

private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
transient Object[] elementData;
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
private int size;
public ArrayList() {
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
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(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;
    }
}

默认无参构造方法。elementData实际存放数据元素,从这些能够看出，ArrayList底层是用数组来实现，元素是连续的；这也体现了ArrayList有序，读取快，固然数组维护角标，若是在ArrayList元素里面随机删除个元素，就比较慢了。由于须要维护角标，因此被删除元素后面元素的角标都须要-1。app

ArrayList扩容

咱们知道ArrayList底层是使用数组来实现的，可是数组是不可变；ArrayList是怎么实现，动态改变数据元素的呢？这个经过示例（查看源码）来讲明问题以及缘由。dom

示例 1 添加元素

ArrayList<String> list = new ArrayList<String>();
list.add("a");

使用ArrayList的无参构造方法，初始化list集合,并使用add方法添加一个"a"元素。ide

首先，ArrayList先将内部的 elementData 初始化（elementData = {}），这个时候数组的长度是0，list集合的长度也是0.测试

而后，add方法添加元素，方法中先执行ensureCapacityInternal(size + 1)方法。this

add方法以及其涉及到的方法：code

/**
 * Appends the specified element to the end of this list.
 *
 * @param e element to be appended to this list
 * @return <tt>true</tt> (as specified by {@link Collection#add})
 */
public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

/**
 * Increments modCount!!
 */
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);
}
/**
 * Increases the capacity to ensure that it can hold at least the
 * number of elements specified by the minimum capacity argument.
 *
 * @param minCapacity the desired minimum capacity
 */
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);
}

/**
 * The maximum size of array to allocate.
 * Some VMs reserve some header words in an array.
 * Attempts to allocate larger arrays may result in
 * OutOfMemoryError: Requested array size exceeds VM limit
 */
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
    if (minCapacity < 0) // overflow
        throw new OutOfMemoryError();
    return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
        Integer.MAX_VALUE :
        MAX_ARRAY_SIZE;
}

在ArrayList将元素添加到集合中以前，先执行了ensureCapacityInternal方法，执行这个方法的目的是检查集合中元素（数组）是否是还能再插入一个元素，不能则扩容。ci

流程以下：element

先检查elementData数组是不是默认初始化的数组，若是是则选择默认初始化容量和最小容量数值大的那一个，再将数值赋值给minCapacity变量；若是elementData.lengh小于minCapacity，则扩容（grow）.每次扩容后的容量为int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);（以前容量的1.5倍）。若是newCapacity（扩容后的容量）还小于（minCapacity），则直接将新容量定义为minCapacity；若是newCapacity大于了MAX_ARRAY_SIZE，则比较minCapacity和MAX_ARRAY_SIZE的大小，大于则返回Integer.MAX_VALUE，不然返回MAX_ARRAY_SIZE，到此扩容后的数组长度肯定了，接着使用Arrays.copyOf方法，将以前元素，放入新的数组中，最后执行add方法中elementData[size++] = e，将元素放到集合中。至此添加元素流程完成。

示例 2 扩容次数

自顶一个ZArrayList,来模拟ArrayList。

public class ZArrayList<E> extends AbstractList<E>
    implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
    transient Object[] elementData;
    private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
    private int size;
    public ZArrayList() {
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
    public ZArrayList(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 ZArrayList(Collection<? extends E> c) {
        elementData = c.toArray();
        if ((size = elementData.length) != 0) {
            if (elementData.getClass() != Object[].class)
                elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
        } else {
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        }
    }

    public boolean add(E e) {
        ensureCapacityInternal(size + 1);
        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++;
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
    }
    private int count = 0;
    private void grow(int minCapacity) {
        count +=1;
        int oldCapacity = elementData.length;
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            newCapacity = minCapacity;
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }
    private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

    private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
        if (minCapacity < 0) // overflow
            throw new OutOfMemoryError();
        return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
                Integer.MAX_VALUE :
                MAX_ARRAY_SIZE;
    }
    @Override
    public E get(int index) {
        return null;
    }
    @Override
    public int size() {
        return 0;
    }
}

首先定义全局变量int count = 0，在扩容方法grow中，使用count+=1，这样能大体得出扩容次数。测试代码

@Test
public void testCountList(){
    ZArrayList<Integer> zl = new ZArrayList<>();
    System.out.println("初始化："+zl.getCount()+"\t内部数组长度："+zl.elementData.length);
    for (int a=0;a< 1000000;a++){
        zl.add(a);
        log(zl, a);
    }
    System.out.println("---------------------");
    for (int b = 1000000; b>0;b--){
        zl.remove(zl.get(0));

        log(zl, b);
    }
}

private void log(ZArrayList<Integer> zl, int b) {
    if (b == 1){
        System.out.println("1次：\t"+zl.getCount()+"\t内部数组长度："+zl.elementData.length);
    } else if (b==100){
        System.out.println("100次：\t"+zl.getCount()+"\t内部数组长度："+zl.elementData.length);
    } else if (b == 1000){
        System.out.println("1000次：\t"+zl.getCount()+"\t内部数组长度："+zl.elementData.length);
    } else if (b == 10000){
        System.out.println("1万次：\t"+zl.getCount()+"\t内部数组长度："+zl.elementData.length);
    } else if (b == 100000){
        System.out.println("10万次：\t"+zl.getCount()+"\t内部数组长度："+zl.elementData.length);
    } else if (b == 1000000){
        System.out.println("100万次：\t"+zl.getCount()+"\t内部数组长度："+zl.elementData.length);
    }
}

结果以下：

初始化：0   内部数组长度：0
1次： 1   内部数组长度：10
100次：   7   内部数组长度：109
1000次：  13  内部数组长度：1234
1万次：    19  内部数组长度：14053
10万次：   24  内部数组长度：106710
---------------------
100万次：   30 内部数组长度：1215487
10万次：    30 内部数组长度：1215487
1万次：     30 内部数组长度：1215487
1000次：    30    内部数组长度：1215487
100次：     30    内部数组长度：1215487
1次：       30    内部数组长度：1215487

从这些数据能够得出若是依次添加100个元素，大概会扩容7次，若是将数据依次删除，可是list内部数组的长度不变。

特别注意：ArrayList内部数组Object[] elementData的长度不等于ArrayList的size，经过源码能够看到在add/addAll/remove/removeAll中都维护了一个size变量，这个才是ArrayList元素的个数。

ArrayList设置默认容量

从上边的分析中能够得出，若是添加数据量比较大的话，最好是给ArrayList一个默认的初始容量，用以减小扩容的次数。

以此类推ArrayList的其余方法addAll和remove方法，原理是类似的，再也不赘述。

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