Java ArrayList底层实现原理源码详细分析Jdk8
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2024-02-03 17:10:04
ArrayList是基于数组实现的,是一个动态数组,其容量能自动增长,类似于C语言中的动态申请内存,动态增长内存。
ArrayList不是线程安全的,只能用在单线程环境下,多线程环境下可以考虑用Collections.synchronizedList(List l)函数返回一个线程安全的Array... ......
简介
- arraylist是基于数组实现的,是一个动态数组,其容量能自动增长,类似于c语言中的动态申请内存,动态增长内存。
- arraylist不是线程安全的,只能用在单线程环境下,多线程环境下可以考虑用collections.synchronizedlist(list l)函数返回一个线程安全的arraylist类,也可以使用concurrent并发包下的copyonwritearraylist类。
- arraylist实现了serializable接口,因此它支持序列化,能够通过序列化传输,实现了randomaccess接口,支持快速随机访问,实际上就是通过下标序号进行快速访问,实现了cloneable接口,能被克隆。
存储结构
// 当前数据对象存放地方,当前对象不参与序列化 // 这个关键字最主要的作用就是当序列化时,被transient修饰的内容将不会被序列化 transient object[] elementdata;
-
object类型数组。
数据域
// 序列化id private static final long serialversionuid = 8683452581122892189l; // 默认初始容量 private static final int default_capacity = 10; // 一个空数组,方便使用,主要用于带参构造函数初始化和读取序列化对象等。 private static final object[] empty_elementdata = {}; /** * 和官方文档写的一样,defaultcapacity_empty_elementdata 和empty_elementdata 的区别 * 仅仅是为了区别用户带参为0的构造和默认构造的惰性初始模式对象。 * 当用户带参为0的构造,第一次add时,数组容量grow到1。 * 当用户使用默认构造时,第一次add时,容量直接grow到default_capacity(10)。 */ private static final object[] defaultcapacity_empty_elementdata = {}; // 当前数据对象存放地方,当前对象不参与序列化 // 这个关键字最主要的作用就是当序列化时,被transient修饰的内容将不会被序列化 transient object[] elementdata; // non-private to simplify nested class access // 当前数组中元素的个数 private int size; // 数组最大可分配容量 private static final int max_array_size = integer.max_value - 8; // 集合数组修改次数的标识(由abstractlist继承下来)(fail-fast机制) protected transient int modcount = 0;
- arraylist的无参构造函数。初始化的时候并没有真正的创建10个空间,这是惰性初始模式对象。
- defaultcapacity_empty_elementdata 和empty_elementdata 的区别仅仅是为了区别用户带参为0的构造和默认构造的惰性初始模式对象。
- modcount用来记录arraylist结构发生变化的次数。用于fail-fast机制
构造函数
public arraylist() { // 只有这个地方会引用defaultcapacity_empty_elementdata this.elementdata = defaultcapacity_empty_elementdata; } public arraylist(int initialcapacity) { if (initialcapacity > 0) { this.elementdata = new object[initialcapacity]; } else if (initialcapacity == 0) { // 使用 empty_elementdata,在其他的多个地方可能会引用empty_elementdata this.elementdata = empty_elementdata; } else { throw new illegalargumentexception("illegal capacity: "+ initialcapacity); } } public arraylist(collection<? extends e> c) { // 把传入集合传化成[]数组并浅拷贝给elementdata elementdata = c.toarray(); // 转化后的数组长度赋给当前arraylist的size,并判断是否为0 if ((size = elementdata.length) != 0) { //c.toarray可能不会返回 object[],可以查看 java 官方编号为 6260652 的 bug if (elementdata.getclass() != object[].class) // 若 c.toarray() 返回的数组类型不是 object[],则利用 arrays.copyof(); 来构造一个大小为 size 的 object[] 数组 // 此时elementdata是指向传入集合的内存,还需要创建新的内存区域深拷贝给elementdata elementdata = arrays.copyof(elementdata, size, object[].class); } else { // 传入数组size为零替换空数组 this.elementdata = empty_elementdata; } }
- defaultcapacity_empty_elementdata 和empty_elementdata 的区别仅仅是为了区别用户带参为0的构造和默认构造的惰性初始模式对象。
- 注意深拷贝和浅拷贝。
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带参为0的构造会惰性初始化,不为0的构造则不会惰性初始化。
add()源码解析
public boolean add(e e) { // 确保数组已使用长度(size)加1之后足够存下 下一个数据 ensurecapacityinternal(size + 1); // increments modcount!! // 数组的下一个index存放传入元素。 elementdata[size++] = e; // 始终返回true。 return true; } private void ensurecapacityinternal(int mincapacity) { ensureexplicitcapacity(calculatecapacity(elementdata, mincapacity)); } private static int calculatecapacity(object[] elementdata, int mincapacity) { // 这里就是defaultcapacity_empty_elementdata 和 // empty_elementdata 最主要的区别。 if (elementdata == defaultcapacity_empty_elementdata) { // 默认构造第一次add返回10。 return math.max(default_capacity, mincapacity); } // 带参为0构造第一次add返回 1 (0 + 1)。 return mincapacity; } private void ensureexplicitcapacity(int mincapacity) { // 自增修改计数 modcount++; // overflow-conscious code // 当前数组容量小于需要的最小容量 if (mincapacity - elementdata.length > 0) // 准备扩容数组 grow(mincapacity); } private void grow(int mincapacity) { // overflow-conscious code // 获得当前数组容量 int oldcapacity = elementdata.length; // 新数组容量为1.5倍的旧数组容量 int newcapacity = oldcapacity + (oldcapacity >> 1); if (newcapacity - mincapacity < 0) // 若 newcapacity 依旧小于 mincapacity newcapacity = mincapacity; // 判断是需要的容量是否超过最大的数组容量。 if (newcapacity - max_array_size > 0) newcapacity = hugecapacity(mincapacity); // mincapacity is usually close to size, so this is a win: // 在arrays.copyof()中会将原数组整个赋值到扩容的数组中。 elementdata = arrays.copyof(elementdata, newcapacity); }
- 扩容操作需要调用arrays.copyof()把原数组整个复制到新数组中,这个操作代价很高,因此最好在创建arraylist对象时就指定大概的容量大小,减少扩容操作的次数。
add(int index, e element)源码分析
// 这是一个本地方法,由c语言实现。 public static native void arraycopy(object src, // 源数组 int srcpos, // 源数组要复制的起始位置 object dest, // 目标数组(将原数组复制到目标数组) int destpos, // 目标数组起始位置(从目标数组的哪个下标开始复制操作) int length // 复制源数组的长度 ); public void add(int index, e element) { // 判断索引是否越界 rangecheckforadd(index); // 确保数组已使用长度(size)加1之后足够存下 下一个数据 ensurecapacityinternal(size + 1); // increments modcount!! // 运行到这里代表数组容量满足。 // 数组从传入形参index处开始复制,复制size-index个元素(即包括index在内后面的元素全部复制), // 从数组的index + 1处开始粘贴。 // 这时,index 和 index + 1处元素数值相同。 system.arraycopy(elementdata, index, elementdata, index + 1, size - index); // 把index处的元素替换成新的元素。 elementdata[index] = element; // 数组内元素长度加一。 size++; }
- 需要调用system.arraycopy()将包括index在内后面的元素都复制到index + 1位置上,该操作的时间复杂度为o(n),可以看出arraylist数组头增加元素的代价是非常高的。
remove(int index)源码分析
public e remove(int index) { // 检查index rangecheck(index); modcount++; e oldvalue = elementdata(index); int nummoved = size - index - 1; if (nummoved > 0) // 和 add(int index, e element)原理想通。 system.arraycopy(elementdata, index+1, elementdata, index, nummoved); // 引用计数为0,会自动进行垃圾回收。 elementdata[--size] = null; // clear to let gc do its work // 返回旧元素 return oldvalue; }
- 需要调用system.arraycopy()将包括index + 1在内后面的元素都复制到index位置上,该操作的时间复杂度为o(n),可以看出arraylist数组头增加元素的代价是非常高的。
fail-fast机制
fail-fast 机制,即快速失败机制,是java集合(collection)中的一种错误检测机制。当在迭代集合的过程中该集合在结构上发生改变的时候,就有可能会发生fail-fast,即抛出concurrentmodificationexception异常。fail-fast机制并不保证在不同步的修改下一定会抛出异常,它只是尽最大努力去抛出,所以这种机制一般仅用于检测bug。
- 结构发生变化是指添加或者删除至少一个元素的所有操作,或者是调整内部数组大小,仅仅只是设置元素的值不算结构发生变化。
- 在进行序列化或者迭代操作时,需要比较操作前后modcount是否改变,如果改变了需要跑出concurrentmodificationexception
private class itr implements iterator<e> { int cursor; int lastret = -1; // 期待的修改值等于当前修改次数(modcount) int expectedmodcount = modcount; public boolean hasnext() { return cursor != size; } public e next() { // 检查 expectedmodcount是否等于modcount,不相同则抛出concurrentmodificationexception checkforcomodification(); /** 省略此处代码 */ } public void remove() { if (this.lastret < 0) throw new illegalstateexception(); checkforcomodification(); /** 省略此处代码 */ } final void checkforcomodification() { if (arraylist.this.modcount == this.expectedmodcount) return; throw new concurrentmodificationexception(); } }
一个单线程环境下的fail-fast的例子
public static void main(string[] args) { list<string> list = new arraylist<>(); for (int i = 0 ; i < 10 ; i++ ) { list.add(i + ""); } iterator<string> iterator = list.iterator(); int i = 0 ; while(iterator.hasnext()) { if (i == 3) { list.remove(3); } system.out.println(iterator.next()); i ++; } }
序列化
arraylist 实现了 java.io.serializable 接口,但是自己定义了序列化和反序列化。因为arraylist基于数组实现,并且具有动态扩容特性,因此保存元素的数组不一定都会被使用,那么就没有必要全部进行序列化。因此 elementdata 数组使用 transient 修饰,可以防止被自动序列化。
private void writeobject(java.io.objectoutputstream s) throws java.io.ioexception{ // write out element count, and any hidden stuff int expectedmodcount = modcount; // 将当前类的非静态(non-static)和非瞬态(non-transient)字段写入流 // 在这里也会将size字段写入。 s.defaultwriteobject(); // write out size as capacity for behavioural compatibility with clone() // 序列化数组包含元素数量,为了向后兼容 // 两次将size写入流 s.writeint(size); // write out all elements in the proper order. // 按照顺序写入,只写入到数组包含元素的结尾,并不会把数组的所有容量区域全部写入 for (int i=0; i<size; i++) { s.writeobject(elementdata[i]); } // 判断是否触发fast-fail if (modcount != expectedmodcount) { throw new concurrentmodificationexception(); } } private void readobject(java.io.objectinputstream s) throws java.io.ioexception, classnotfoundexception { // 设置数组引用空数组。 elementdata = empty_elementdata; // read in size, and any hidden stuff // 将流中的的非静态(non-static)和非瞬态(non-transient)字段读取到当前类 // 包含 size s.defaultreadobject(); // read in capacity // 读入元素个数,没什么用,只是因为写出的时候写了size属性,读的时候也要按顺序来读 s.readint(); // ignored if (size > 0) { // be like clone(), allocate array based upon size not capacity // 根据size计算容量。 int capacity = calculatecapacity(elementdata, size); // sharedsecrets 一个“共享机密”存储库,它是一种机制, // 用于调用另一个包中的实现专用方法,而不使用反射。todo sharedsecrets.getjavaoisaccess().checkarray(s, object[].class, capacity); // 检查是否需要扩容 ensurecapacityinternal(size); object[] a = elementdata; // read in all elements in the proper order. // 依次读取元素到数组中 for (int i=0; i<size; i++) { a[i] = s.readobject(); } } }
arraylist中为什么size要序列化两次?
在代码中s.defaultwriteobject();中size应该也被序列化了,为什么下边还要再单独序列化一次呢?
这样写是出于兼容性考虑。
旧版本的jdk中,arraylist的实现有所不同,会对length字段进行序列化。
而新版的jdk中,对优化了arraylist的实现,不再序列化length字段。
这个时候,如果去掉s.writeint(size),那么新版本jdk序列化的对象,在旧版本中就无法正确读取,
因为缺少了length字段。
因此这种写法看起来多此一举,实际上却保证了兼容性。
小结
- arraylist基于数组方式实现,无容量的限制(会扩容)
- 添加元素时可能要扩容(所以最好预判一下),删除元素时不会减少容量(若希望减少容量可以使用trimtosize()),删除元素时,将删除掉的位置元素置为null,下次gc就会回收这些元素所占的内存空间。
- 线程不安全
- add(int index, e element):添加元素到数组中指定位置的时候,需要将该位置及其后边所有的元素都整块向后复制一位
- get(int index):获取指定位置上的元素时,可以通过索引直接获取(o(1))
- remove(object o)需要遍历数组
- remove(int index)不需要遍历数组,只需判断index是否符合条件即可,效率比remove(object o)高
- contains(e)需要遍历数组
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