ArrayList源码万字解析!透彻易懂!
此文章转载于: 且听_风吟
原文链接:https://blog.csdn.net/qq_26803795/article/details/106243345
写在前面:我是「且听风吟」,目前是某上市游戏公司的大数据开发工程师,热爱大数据开源技术,喜欢分享自己的所学所悟,现阶段正在从头梳理大数据体系的知识,以后将会把时间重点放在Spark和Flink上面。
如果你也对大数据感兴趣,希望在这个行业一展拳脚。欢迎关注我,我们一起努力,一起学习。博客地址:https://ropledata.blog.csdn.net
博客的名字来源于:且听风吟,静待花开。也符合我对技术的看法,想要真正掌握一门技术就需要厚积薄发的毅力,同时保持乐观的心态。
你只管努力,剩下的交给时间!
一、前言
不管是什么样的软件岗位,想要进大厂,肯定会问到一些基础源码知识,如果我们想要从中脱颖而出,就必须要非常熟悉这些源码。本文我们结合源码用通俗易懂的语言来解析ArrayList,尽量给每一行源码都写上注释,给每一个功能加上总结,由于内容较多,强烈建议收藏,那么废话不多说,一起来见真章!
二、重新认识ArrayList
- 什么是ArrayList?
ArrayList是基于数组实现的List类,封装了一个动态再分配的Object数组,以达到可以动态增长和缩减的索引序列。 - 长啥样?
如图,是一个长度为6,存储了6个6的数组,下标(index)从0开始,数组(elementData)表示存储的数据本身。 - 有哪些基本概念?
- index 表示数组下标;
- elementData 表示数组本身;
- DEFAULT_CAPACITY 表示数组初始大小,默认是10;
- size 表示当前数组的大小,int类型,未使用volatile修饰,非线程安全;
- modCount 表示当前数组被修改的版本的次数,也就是说当数组结构有变动,就会+1。
三、知其所以然----撸源码
1. 从整个ArrayList.java的类注释开始入手
简单翻译总结如下:
- ArrayList允许put null值,并且会自动扩容;
- size,isEmpty,get,set,Iterator和listIterator方法的时间复杂度是O(1),add方法的复杂度根据添加元素的多少而不同,添加n个元素,时间复杂度O(n);
- 非线程安全,因此在多线程情况下,为了线程安全推荐使用(List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList(...));
);
- 支持增强for循环,但需要注意的是,由于非线程安全,所以在使用迭代器迭代过程中,如果数组大小被改变,会快速失败,并抛出异常。
2. 初始化
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三种初始化方式,源码分析
- 无参数初始化
// 无参数构造器,默认是空数组 public ArrayList() { this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA; }
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- 指定初始容量大小的初始化
// 构造一个具有指定初始容量的空列表 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); } }
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- 指定初始数据初始化
//指定初始数据初始化 public ArrayList(Collection<? extends E> c) { //elementData 是保存数组的容器,默认为 null elementData = c.toArray(); //如果给定的集合(c)数据有值,则进行拷贝赋值操作 if ((size = elementData.length) != 0) { // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652) //如果集合元素类型不是 Object 类型,才开始拷贝,否则不执行 if (elementData.getClass() != Object[].class) { elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class); } } else { // 给定集合(c)无值,则默认空数组 this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA; } }
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- 无参数初始化
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需要注意的地方
- 使用无参数构造器初始化时,默认容量时0,而不是传统印象里的10,只有接着对其进行add时才会变成10;
- 通过观察ArrayList的无参构造器,会发现当它进行初始化时,默认大小是空数组;
- 可以发现在指定初始数据初始化这种方式里,有一个see 6260652的注释,这是一个1.8版本的bug,在1.9版本的到了解决。解释是(toArray方法可能不会返回Object数组),也就是说当我们有一个ArrayList,里面的元素不是Object类型,比如是String,然后当我们调用toArray方法,得到一个Object数组后,再往这个String类型的Object数组赋值时,就会触发这个BUG,报错。官方查看文档地址:https://bugs.java.com/bugdatabase/view_bug.do?bug_id=6260652
3. 新增元素及扩容
- 先来看下新增元素核心源码
public boolean add(E e) { //确保数组大小足够,不够需要扩容 ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!! //直接赋值,非线程安全 elementData[size++] = e; return true; }
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- 判断是否需要扩容,如需要就执行扩容操作
- 直接赋值(非线程安全)
- 接着看下扩容源码的实现
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) { //如果是空数组,就从最小容量和默认容量10之间取最大值 //反之如果初始化时给定了初始值,就按照给定的大小为准,不走if逻辑 if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) { minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity); } //确保容积足够 ensureExplicitCapacity(minCapacity); } private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) { //记录数组被修改 modCount++; // 如果我们希望的最小容量大于目前数组的长度,那么就扩容 if (minCapacity - elementData.length > 0) grow(minCapacity); } //扩容,最后把现有数据拷贝到新的数组里面去 private void grow(int minCapacity) { // overflow-conscious code int oldCapacity = elementData.length; // oldCapacity >> 1 右移运算符,是把 oldCapacity / 2 的意思 int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
<span class="token comment">// 如果扩容后的新的容量值 < 我们的期望容量值,那么就取我们的期望容量值</span> <span class="token comment">// 也就是扩充的容量至少要满足我们的期望,宁多勿少</span> <span class="token keyword">if</span> <span class="token punctuation">(</span>newCapacity <span class="token operator">-</span> minCapacity <span class="token operator"><</span> <span class="token number">0</span><span class="token punctuation">)</span> newCapacity <span class="token operator">=</span> minCapacity<span class="token punctuation">;</span> <span class="token comment">// 如果扩容后的值 > jvm 所能分配的数组的最大值,那么就取Integer 的最大值</span> <span class="token keyword">if</span> <span class="token punctuation">(</span>newCapacity <span class="token operator">-</span> MAX_ARRAY_SIZE <span class="token operator">></span> <span class="token number">0</span><span class="token punctuation">)</span> newCapacity <span class="token operator">=</span> <span class="token function">hugeCapacity</span><span class="token punctuation">(</span>minCapacity<span class="token punctuation">)</span><span class="token punctuation">;</span> <span class="token comment">// minCapacity is usually close to size, so this is a win:</span> <span class="token comment">// 通过复制进行扩容</span> elementData <span class="token operator">=</span> Arrays<span class="token punctuation">.</span><span class="token function">copyOf</span><span class="token punctuation">(</span>elementData<span class="token punctuation">,</span> newCapacity<span class="token punctuation">)</span><span class="token punctuation">;</span>
}
//获取Integer的最大值
private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
if (minCapacity < 0) // overflow
throw new OutOfMemoryError();
return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
Integer.MAX_VALUE :
MAX_ARRAY_SIZE;
}
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我们通过源码可以发现,扩容的核心是一行代码:
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
扩容会首先创建一个符合要求容量的新数组,然后把老数组的数据拷贝过去;我们一层层的点进去,会发现更底层的操作是通过System.arraycopy这个native方法进行拷贝的。/**
* @param src 被拷贝的数组
* @param srcPos 从数组那里开始
* @param dest 目标数组
* @param destPos 从目标数组那个索引位置开始拷贝
* @param length 拷贝的长度
* 此方法是没有返回值的,通过 dest 的引用进行传值
*/
public static native void arraycopy(Object src, int srcPos,
Object dest, int destPos,
int length);
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- 根据扩容的算法,扩容后的大小是原始容量的1.5倍;
- ArrayList 中的数组容量的最大值是Integer 的最大值(Integer.MAX_VALUE);
- 新增过程中,没有对值进行严格校验,所以ArrayList允许null值。
- 新增元素操作很简单,elementData [size++] = e,因此非线程安全。
4. 删除
- 删除元素的方式有很多,不过代码和思路类似,这里选取删除值的方式来分析
// 根据值去删除 public boolean remove(Object o) { // 如果值是空的,找到第一个值是空的删除 if (o == null) { for (int index = 0; index < size; index++) if (elementData[index] == null) { fastRemove(index); return true; } } else { // 值不为空,找到第一个和所要删除的值相等的删除 for (int index = 0; index < size; index++) // 注意这里是根据 equals 来判断值相等的 if (o.equals(elementData[index])) { fastRemove(index); return true; } } return false; }
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- 通过第一步,已经找到了要删除元素的索引,接下来就是根据索引位置来删除元素
private void fastRemove(int index) { // 记录数组的结构变化次数 modCount++; // 减 1 的原因,是因为 size 从 1 开始算起,index 从 0开始算起 // numMoved 用来表示,在删除 index 位置的元素后,需要从 index 后移动多少个元素到前面去 int numMoved = size - index - 1; if (numMoved > 0) // 从 index +1 位置开始被拷贝,拷贝的起始位置是 index System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved); //给最后一个元素重新赋值为null,然后让GC来对其进行清除 elementData[--size] = null; }
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- 总结一波
- 由于新增元素时允许null值,因此删除的时候也允许删除null值;
- 在数组中找到目标值的索引位置过程是通过equals来判断的,因此使用非基本类型数组元素的时候需要注意;
- 当某一个元素被删除后,后面的元素会往前移动,以便于维护数组的结构。
5. 迭代器
- 由于ArrayList是通过实现java.util.Iterator 类来实现自己的迭代器,因此我们先来了解迭代器的源码
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迭代器的几个主要参数及常用方法
- 3个重要参数:
// 索引,用来在next里取对应下标的数据 int cursor; // index of next element to return // 很巧妙的一个值 // 每次next都会把当前元素的下标赋值给lastRet,如果进行删除操作的话,会用这个值覆盖cursor,使得下一次next依然取这个删除的索引位置上的数据!由于删除元素后,后面的元素会自动前移,那么这个操作就能保证不会漏掉任何一个数据。 int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such // 迭代过程中期望数组修改版本号 int expectedModCount = modCount;
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- 3个基本方法:
hasNext 还有没有值可以迭代
next 如果有值可以迭代,迭代的值是多少
remove 删除当前迭代的值
- 3个重要参数:
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hashNext源码解析
public boolean hasNext() { return cursor != size;//cursor 表示下一个元素的位置,size 表示实际大小,如果两者相等,说明已经没有元素可以迭代了,如果不等,说明还可以迭代 }
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next源码解析
迭代器的next和remove是相互联动的,代码层层关联,可谓精妙。通过next方法之后,会把当前遍历的元素的下标索引赋值给lastRet,一方面是可以在remove时删除这个索引的元素,另一方面可以作为已经执行next的证据,通过remove方法内部的的校验。 下面我将逐行去解析,大家多留意lastRet和cursor的变化:public E next() { //迭代过程中,根据modCount 和 expectedModCount是否相等,判断版本号有无被修改,有被修改,抛 ConcurrentModificationException 异常 checkForComodification(); //本次迭代过程中,元素的索引位置 int i = cursor; if (i >= size) throw new NoSuchElementException(); Object[] elementData = ArrayList.this.elementData; if (i >= elementData.length) throw new ConcurrentModificationException(); // 下一次迭代时,元素的位置 cursor = i + 1; // 返回元素值,并把当前元素的位置赋值为lastRet,这样有两个作用: // 1、可以对应删除这个索引位置的元素 // 2、在迭代器的remove时,可以通过if判断,相当于想要使用迭代器的remove,必须先使用next return (E) elementData[lastRet = i]; }
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remove源码解析
首先我们要明确一点,就是由于ArrayList每次删除数据后,会把后面的数据前移。而通过上一节next的解析,我们知道了next最终会把当前元素的索引赋值给lastRet。其实remove会根据lastRet删除这个索引的元素,然后后面的数据会前移,所以为了防止下一次next时遍历下一个索引进而漏掉元素,所以在remove后,会把当前索引赋值给cursor,让next继续遍历这个位置的元素。而且为了防止迭代器重复的remove这个索引的元素,因此一会大家可以看到,在remove方法的最后lastRet会被重新赋值1。public void remove() { // 如果没有使用next,此时lastRet是-1,不支持删除数据(由于删除后,这个被删除数据的索引还有从后面移上数据,这样可以防止不小心重复删除某一索引的数据) if (lastRet < 0) throw new IllegalStateException(); //迭代过程中,判断版本号有无被修改,有被修改,抛 ConcurrentModificationException 异常 checkForComodification();
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try {
// 调用ArrayList的remove(int index)删除数据
ArrayList.this.remove(lastRet);
// 在进行remove之前,已经进行了next,由于此时lastRet就是被删除元素的索引,删除之后,这个索引后面的数据会前移,所以这里把lastRet赋值给cursor,使下一次next继续遍历这个位置的元素,这样就不会漏数据了。
cursor = lastRet;
// 继续让lastRet变为-1,这样如果不进行next,就不会进行下一次的remove
lastRet = -1;
// 删除元素时 modCount 的值已经发生变化,再此赋值给 expectedModCount,用以在next时通过checkForComodification校验
expectedModCount = modCount;
} catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
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Iterator源码小结一波
- next方法主要完成两件事,首先检验能不能继续迭代,然后找到并返回迭代的值,并为下一次迭代做准备;
- lastRet在next场景下表示上一次迭代的元素下标,在remove场景下表示-1,用来防止重复删除元素;
- 如果删除成功,数组当前的modCount就会发生变化,这里会把expectedModCount重新赋值,下次迭代时两者的值就一致了。
四、线程是否安全
由于ArrayList自身的elementData、size、modCount在进行各种操作时,都没有加锁,并且这些变量都是非volatile类型的,所以如果多个线程对这些变量进行操作时,可能会有值被覆盖的情况。
所以,结合源码我们可以发现当ArrayList作为共享变量时,会有线程安全问题;当ArrayList是方法内的局部变量时,就不存在线程安全问题了。
最开始通过看类注释,我们知道他们推荐我们使用List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList(...));
来保证线程安全,源码解析如下:
public boolean add(E e) {
synchronized (mutex) {// synchronized 是一种轻量锁,mutex 表示一个当前 SynchronizedList
return c.add(e);
}
}
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因此,SynchronizedList 其实是通过在每个方法上面加上锁来实现,虽然实现了线程安全,但是性能大大降低。
五、总结
通过上面的源码解析,我们对ArrayList有了更深入的了解,下面总结一些常见的考察点,便于记忆。
1. ArrayList大小和容量
- 如果使用无参构造函数创建ArrayList,大小size和初始容量都是0;
- 如果使用有参构造函数:当指定初始容量,就按照指定的初始容量;如果没有指定初始容量传递值进去,就根据实际size的大小为初始容量;
- 在无参构造函数初始化的ArrayList进行第一次add操作时,第一次会最少扩容10,如果第一次add进去的数值size大于10,就按照这个size扩容。
2. ArrayList扩容总结
当我们使用无参构造函数创建了一个ArrayList时,初始容量为0。当我们add进一个值时,此时的容量为10,size为1。然后接着添加数据时,扩容有两个情况要考虑:
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当我们接着add进入10个值时,此时需要扩容,首先根据公式计算1.5倍是15,然后发现15已经可以容纳11个值了,就选择15作为扩容的容量;
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当我们接着add进入15个值时,此时需要扩容,首先根据公式计算1.5倍是15,然后发现15无法容纳16个值,就会选择我们期望的容量16作为扩容的容量,这里的判断代码如下:
// newCapacity 本次扩容的大小,minCapacity 我们期望的数组最小大小 // 如果扩容后的值 < 我们的期望值,我们的期望值就等于本次扩容的大小 if (newCapacity - minCapacity < 0) newCapacity = minCapacity;
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而且需要注意的是,扩容会消耗性能,因为扩容底层使用的是 System.arraycopy 方法,会把原数组的数据全部拷贝到新数组上,所以性能消耗比较严重。
3. ArrayList删除总结
3.1、为什么普通for循环无法删除干净(漏掉要删除的数据)?
普通for循环调用ArrayList的remove删除数据后,后面的数据会自动向前移。比如一个1,2,3,3,4的ArrayList,我们使用普通for循环,在删除下标为2的元素3后,原本下标为3、4的元素会前移一位,下次循环时我们再遍历下标3时,这时候下标3对应的元素已经是4了,相当于漏掉了一个要删除的元素。
3.2、为什么增强for循环删除数据会报错?
因为增强 for 循环过程其实调用的就是迭代器的 next () 方法,当你调用 lArrayList的remove 方法进行删除时,modCount 的值会 +1,而这时候迭代器中的 expectedModCount 的值却没有变,导致在迭代器下次执行 next () 方法时,首先调用checkForComodification()判断时,会由于expectedModCount != modCount 报 ConcurrentModificationException 的错误。
3.3、为什么迭代器封装的remove方法可以删干净,且不报错?
这个问题,在网上总结或者回答的是为什么不报错,我没有找到有人解释为什么可以删干净,我们先看为什么不报错:
因为 Iterator.remove 方法在执行的过程中,会把最新的 modCount 赋值给 expectedModCount,这样在下次循环过程中,modCount 和 expectedModCount 两者就会相等,就能通过checkForComodification判断。
那么究竟为什么迭代器封装的remove方法就可以删除干净,不会漏数据呢?
首先,需要肯定的是迭代器封装的remove方法依然是调用的ArrayList的remove(int index)索引删除方法;
下面让我们忽略其它逻辑,把next和remove放在一起从头到remove结束好好看一下:
private class Itr implements Iterator<E> { // 索引,用来在next里取对应下标的数据 int cursor; // index of next element to return // 很巧妙的一个值 // 每次next都会把当前元素的下标赋值给lastRet,如果进行删除操作的话,会用这个值覆盖cursor,使得下一次next依然取这个删除的索引位置上的数据!由于删除元素后,后面的元素会自动前移,那么这个操作就能保证不会漏掉任何一个数据。 int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such // 迭代过程中期望数组修改版本号 int expectedModCount = modCount;
<span class="token keyword">public</span> <span class="token keyword">boolean</span> <span class="token function">hasNext</span><span class="token punctuation">(</span><span class="token punctuation">)</span> <span class="token punctuation">{</span> <span class="token keyword">return</span> cursor <span class="token operator">!=</span> size<span class="token punctuation">;</span> <span class="token punctuation">}</span> <span class="token keyword">public</span> E <span class="token function">next</span><span class="token punctuation">(</span><span class="token punctuation">)</span> <span class="token punctuation">{</span> <span class="token comment">//迭代过程中,根据modCount 和 expectedModCount是否相等,判断版本号有无被修改,有被修改,抛 ConcurrentModificationException 异常</span> <span class="token function">checkForComodification</span><span class="token punctuation">(</span><span class="token punctuation">)</span><span class="token punctuation">;</span> <span class="token comment">//本次迭代过程中,元素的索引位置</span> <span 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comment">//迭代过程中,判断版本号有无被修改,有被修改,抛 ConcurrentModificationException 异常</span> <span class="token function">checkForComodification</span><span class="token punctuation">(</span><span class="token punctuation">)</span><span class="token punctuation">;</span> <span class="token keyword">try</span> <span class="token punctuation">{</span> <span class="token comment">// 调用ArrayList的remove(int index)删除数据</span> ArrayList<span class="token punctuation">.</span><span class="token keyword">this</span><span class="token punctuation">.</span><span class="token function">remove</span><span class="token punctuation">(</span>lastRet<span class="token punctuation">)</span><span class="token punctuation">;</span> <span class="token comment">// 在进行remove之前,已经进行了next,由于此时lastRet就是被删除元素的索引,删除之后,这个索引后面的数据会前移,所以这里把lastRet赋值给cursor,使下一次next继续遍历这个位置的元素,这样就不会漏数据了。</span> cursor <span class="token operator">=</span> lastRet<span class="token punctuation">;</span> <span class="token comment">// 继续让lastRet变为-1,这样如果不进行next,就不会进行下一次的remove</span> lastRet <span class="token operator">=</span> <span class="token operator">-</span><span class="token number">1</span><span class="token punctuation">;</span> <span class="token comment">// 删除元素时 modCount 的值已经发生变化,再此赋值给 expectedModCount,用以在next时通过checkForComodification校验</span> expectedModCount <span class="token operator">=</span> modCount<span class="token punctuation">;</span> <span class="token punctuation">}</span> <span class="token keyword">catch</span> <span class="token punctuation">(</span><span class="token class-name">IndexOutOfBoundsException</span> ex<span class="token punctuation">)</span> <span class="token punctuation">{</span> <span class="token keyword">throw</span> <span class="token keyword">new</span> <span class="token class-name">ConcurrentModificationException</span><span class="token punctuation">(</span><span class="token punctuation">)</span><span class="token punctuation">;</span> <span class="token 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结合前面的解析以及这段完整的代码,相信大家已经知道了为什么同样是remove,而且迭代器的remove只是在原有基础上封装了一次,就能够避免遗漏数据了,这是因为对下标索引进行了巧妙的处理。next和remove在不漏掉数据这方面的大致联动过程如下:
1. next遍历数组,并把当前元素的索引cursor赋值给lastRet;
2. 这时候如果执行remove,由于lastRet不再是-1,顺利向下执行,调用ArrayList.this.remove(lastRet)删除当前元素;
3. 删除之后,用lastRet覆盖cursor,使得下一次遍历,不漏掉元素;
4. 覆盖之后,重新给lastRet赋值为-1,避免重复删除数据。
到这里,ArrayList的源码已经总结完毕了,相信和ArrayList相关的所有问题都能从中得到答案。
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