JavaSE开发中使用的ArrayList源码解析

程序员文章站 2022-06-21 14:21:01

面试过程中常见问题ArrayList和LinkList有什么区别？通常答：两者数据结构不同，ArrayList是基于数组，LinkList是基于链表，ArrayList查询比较快，LinkList插入比较快。那么插入过程中LinkList真的比ArrayList快吗？那为什么coding过程无论插入还是查询都是使用ArrayList的情况多呢？你真的了解日常使用的ArrayList和LinkList的吗？......

面试过程中常见问题ArrayList和LinkList有什么区别？

通常答：两者数据结构不同，ArrayList是基于数组，LinkList是基于链表，ArrayList查询比较快，LinkList插入比较快。

那么插入过程中LinkList真的比ArrayList快吗？那为什么coding过程无论插入还是查询都是使用ArrayList的情况多呢？你真的了解日常使用的ArrayList和LinkList的吗？

public static void main(String[] args) {
        int length = 100000;
        List arrList = new ArrayList(length);
        List linkList = new LinkedList();

        long startTime=System.nanoTime();
        for (int i = 0; i < length; i++) {
            arrList.add(i);
        }

        long endTime = System.nanoTime();
        System.out.println("arrayList插入耗时：" + (endTime - startTime));


        System.out.println("=================");

        long startTime1 = System.nanoTime();
        for (int i = 0; i < length; i++) {
            linkList.add(i);
        }
        long endTime1 = System.nanoTime();

        System.out.println("linkList插入耗时：" + (endTime1 - startTime1));
    }

JavaSE开发中使用的ArrayList源码解析

结果和我们日常所熟知的并不太一样，带着这个疑问，开始这篇文章的内容。本文主要从数组开始讲解，到ArrayList相关源码实现，希望可以帮助朋友彻底掌握ArrayList。

前提

ArrayList中有几个属性

//存储arrayList的真正容器，就是数组
transient Object[] elementData;

//默认容量
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

//数组真实的容量
private int size;

1.ArrayList构造函数

先看ArrayList中的属性，为什么定义两个{}?

//无初始化容量
public ArrayList() {
   this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

//设置初始化容量
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);
     }
}

关键点

默认构造函数

this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
有参构造函数

this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
利用两个不同的属性值，就将ArrayList是通过哪种方式创建的进行了区分，这个区分为了之后的扩容。下边添加元素的时候咱在看。

那么问题又来了为什么给默认构造函数一个默认值？

数组属于引用类型，如果没有默认值，那么创建n个默认无参集合，就需要占用n个内存地址。而此时都指向了同一个地址，减少内存的占用。

2.查找

之前在博客中已经介绍过【算法&数据结构篇】——数组和链表，关于数组基础概念请移步。这里只强调几个重点概念，数组支持下标查询，而且是连续内存，存储相同类型的元素，所以每个元素占用的内存空间是相同的。也就是这里为数组支持随机访问元素提供了基础。

先说通常大家提到数组的普遍认知，支持随机访问，但是本质上这种表述不准确，数组是适合查找操作，但是查找的时间复杂度并不是O(1)。即使排好顺序的数组，使用二分查找，时间复杂度也是O(logn)。正确的描述应该是，根据下标随机访问的时间复杂度为O(1)，即get(i) 数组的起始位置+i*元素占用的内存。在ArrayList中get方法就是通过下标进行的随机访问

public E get(int index) {
        //检查下标是否越界
        rangeCheck(index);
        //获取数组的第i个元素
        return elementData(index);
    }

3.插入和删除

数组是有固定容量的，所以使用ArrayList进行add，需要考虑容量大小，并实现自动扩容。ArrayList中add有两种方式，默认是尾部添加，另一种指定下标添加元素。

1) 、默认尾部添加元素

public boolean add(E e) {
        //确定ArrayList容量，不够则进行扩容
        ensureCapacityInternal(size + 1);  
        elementData[size++] = e;
        return true;
  }

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        //如果elementData为默认无参构造函数创建，则初始化容量为10
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
            minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }
        //
        ensureExplicitCapacity(minCapacity);
    }

 private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        //todo 操作数，咱们将迭代器的在处理
        modCount++;

        //如果数组容量已满，则进行扩容
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
    }

  private void grow(int minCapacity) {
        
        int oldCapacity = elementData.length;
        //默认扩容1.5倍
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        //如果扩容后还不够，则已入参设置的容量为主
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            newCapacity = minCapacity;
        //判断数组是否超过限定的最大值Integer.MAX_VALUE - 8，如果超过则扩容为Integer.MAX
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
        // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
        //扩容完成后，将数组拷贝到新数组中（此处为数组中添加元素最耗时的地方）
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }

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

在添加元素的时候，开头讲的两个值一样，但是属性名称不同的操作，在此处有了答案，这个判断决定通过默认构造函数创建的ArrayList默认容量为10。

if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
     minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
 }

这此处纠正一个误区，ArrayList的最小容量并不是10，利用有参构造函数创建的时候，ArrayList的最小容量可以为0.

2)、指定下标添加元素

public void add(int index, E element) {
        //下标越界检查
        rangeCheckForAdd(index);
        //同上判断扩容，记录操作树
        ensureCapacityInternal(size + 1); 
        //依次复制插入位置及后面的数组元素，到后面一格，不是移动，因此复制完后，添加的下标位置和下一个位置指向对同一个对象
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                         size - index);
        //再将元素赋值给该下标
        elementData[index] = element;
        size++;
    }

利用这种方式进行插入，时间复杂度为O(n)，与移动元素个数正相关，所以如果利用add(E e)能解决问题，优先使用尾部元素添加。

3)、指定下标删除元素

public E remove(int index) {
        //检查数组元素下标是否合法
        rangeCheck(index);
        // todo 操作树，之后将迭代器再说有何用
        modCount++;
        E oldValue = elementData(index);

        int numMoved = size - index - 1;
        //判断要删除的元素是否是最后一个位,如果 index 不是最后一个，
        //就从 index + 1 开始往后所有的元素都向前拷贝一份。
        //然后将数组的最后一个位置空,如果 index 是最后一个元素那么就直接将数组的最后一个位置空
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                             numMoved);
       //让指针最后指向空，进行垃圾回收
        elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work

        return oldValue;
    }

4)、删除指定元素

//当我们调用 remove(Object o) 时，会把 o 分为是否为空来分别处理。
//然后对数组做遍历，找到第一个与 o 对应的下标 index，
//然后调用 fastRemove 方法，删除下标为 index 的元素。
public boolean remove(Object o) {
        if (o == null) {
            for (int index = 0; index < size; index++)
                if (elementData[index] == null) {
                    fastRemove(index);
                    return true;
                }
        } else {
            for (int index = 0; index < size; index++)
                if (o.equals(elementData[index])) {
                    fastRemove(index);
                    return true;
                }
        }
        return false;
    }

private void fastRemove(int index) {
        modCount++;
        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
    }

删除指定元素，从代码可以看出来，如果集合中有重复的值，只能默认删除一个值

从时间复杂度角度来分析，无论是哪种情况的时间的复杂度至少为O(n)，利用删除指定元素删除的时候时间复杂度为O(n^2)。

4.灵魂拷问容器能否完全替代数组？

每天都在用ArrayList，与数组相比，到底有什么优势呢？

ArrayList最大的优势可以将很多数组操作细节进行封装，例如数组的插入，删除是需要搬移数据，而且还支持动态扩容。

那么数组是不是就无用武之地了呢？答案：不是的！

1)、ArrayList无法存储基本类型，例如int，long需要封装成Integer，Long类，而拆装箱则有一定性能损耗，如果特别关注性能，或希望使用基本类型，则可以选用数组。

2)、如果数组大小已知，并且对数据操作非常简单，用不到ArrayList提供的大部分方法，也可以直接使用数组。

3)、表示多维数组时，利用数组往往会更加直观。比如 Object[][] array；而用容器的话则需要这样定义：ArrayList<ArrayList<object>> array，但是这点依据个人的使用喜好。

对于业务开发，直接使用容器就足够了，省时省力。毕竟损耗一丢丢性能，完全不会影响到系统整体的性能。但如果是做一些非常底层的开发，比如开发网络框架，性能的优化需要做到极致，这个时候数组就会优于容器，成为首选。

5.ArrayList的父类关系

ArrayList有三个特性，实现了三个标记接口：RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable

1)、RandomAccess

支持随机访问（基于下标）,为了能够更好地判断集合是ArrayList还是LinkedList，从而能够更好选择更优的遍历方式，提高性能

 List arrayList = new ArrayList();

        long startTime2=System.nanoTime();
        for (int i = 0; i < length; i++) {
            arrayList.add(i);
        }

        long endTime2 = System.nanoTime();
        System.out.println("arrayList插入耗时：" + (endTime2 - startTime2));

        Collections.binarySearch(arrayList,Integer.class);

  public static <T>  int binarySearch(List<? extends Comparable<? super T>> list, T key) {
        //利用Random区分查询是哪种list，采用不同的查询方式
        if (list instanceof RandomAccess || list.size()<BINARYSEARCH_THRESHOLD)
            return Collections.indexedBinarySearch(list, key);
        else
            return Collections.iteratorBinarySearch(list, key);
    }

2)、Cloneable
支持拷贝：实现Cloneable接口，重写clone方法、方法内容默认调用父类的clone方法。
2.1)、浅拷贝
基础类型的变量拷贝之后是独立的，不会随着源变量变动而
String类型拷贝之后也是独立的
引用类型拷贝的是引用地址，拷贝前后的变量引用同一个堆中的对象

public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
    Study s = (Study) super.clone();
    return s;
}

2.2)、深拷贝
变量的所有引用类型变量（除了String）都需要实现Cloneable（数组可以直接调用clone方法），clone方法中，引用类型需要各自调用clone，重新赋值

public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
    Study s = (Study) super.clone();
    s.setScore(this.score.clone());
    return s;
}

java的传参，基本类型和引用类型传参
java在方法传递参数时，是将变量复制一份，然后传入方法体去执行。复制的是栈中的内容
所以基本类型是复制的变量名和值，值变了不影响源变量
引用类型复制的是变量名和值（引用地址），对象变了，会影响源变量（引用地址是一样的）
String：是不可变对象，重新赋值时，会在常量表新生成字符串（如果已有，直接取他的引用地址），将新字符串的引用地址赋值给栈中的新变量，因此源变量不会受影响

3)、Serializable
序列化：将对象状态转换为可保持或传输的格式的过程。与序列化相对的是反序列化，它将流转换为对象。这两个过程结合起来，可以轻松地存储和传输数据，在Java中的这个Serializable接口其实是给jvm看的，通知jvm，我不对这个类做序列化了，你(jvm)帮我序列化就好了。如果我们没有自己声明一个serialVersionUID变量,接口会默认生成一个serialVersionUID，默认的serialVersinUID对于class的细节非常敏感，反序列化时可能会导致InvalidClassException这个异常（每次序列化都会重新计算该值）
4)、AbstractList
继承了AbstractList ，说明它是一个列表，拥有相应的增，删，查，改等功能。
5)、List
为什么继承了 AbstractList 还需要实现List 接口？

JavaSE开发中使用的ArrayList源码解析

6.插入LinkList不一定比ArrayList快

ArrayList不适合插入的原因是因为在插入过程中涉及到数组的扩容拷贝，如果预先设定后ArrayList的容量，采用尾部添加时间复杂仅为O(1)。

那么不预先设定ArrayList为容量，那么LinkList插入一定比ArrayList快吗？

 long startTime1 = System.nanoTime();
        for (int i = 0; i < length; i++) {
            linkList.add(i);
        }
        long endTime1 = System.nanoTime();

        System.out.println("linkList插入耗时：" + (endTime1 - startTime1));

        System.out.println("=================");
        List arrayList = new ArrayList();

        long startTime2=System.nanoTime();
        for (int i = 0; i < length; i++) {
            arrayList.add(i);
        }

        long endTime2 = System.nanoTime();
        System.out.println("arrayList插入耗时：" + (endTime2 - startTime2));

LinkList在插入过程中需要创建新的节点，而ArrayList在扩容的时候直接创建好了数组，两者在插入过程中到底谁更快？还需要根据创建的数据量来判断。所以在coding过程无论插入还是查询都是使用ArrayList的情况多。

总结

ArrayList以数组作为底层数据结构，针对数组的插入和删除进行二次封装，隐藏了直接数组涉及到的数据搬移，扩容等复杂内容。ArrayList的使用给业务开发带来了极大的便利性，但是如果对性能要求极高，而且涉及到基本类型的操作，推荐优先使用数组。同时纠正误区在做插入操作的时候LinkList不一定比ArrayList快，这个具体需要比较是LinkList创建新节点更耗时，还是扩容更耗时。

通过看ArrayList源码，收获最大的一点是构造函数的巧妙，利用常量，让所有通过无参创建的ArrayList，指向内存中同一位置，节省了大量内存的消耗。而且为了区分扩容，利用两个不同的常量，将ArrayList的创建方式分开，也便利利用无参构造函数的初识容量的设定。

本文地址：https://blog.csdn.net/jiadajing267/article/details/108700091

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前提

1.ArrayList构造函数

2.查找

3.插入和删除

4.灵魂拷问容器能否完全替代数组？

5.ArrayList的父类关系

6.插入LinkList不一定比ArrayList快

总结

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