java数据结构ArrayList详解
简介
arraylist 是 java 集合框架中比较常用的数据结构了。继承自 abstractlist，实现了 list 接口。底层基于数组实现容量大小动态变化。允许 null 的存在。同时还实现了 randomaccess、cloneable、serializable 接口，所以arraylist 是支持快速访问、复制、序列化的。
成员变量
arraylist 底层是基于数组来实现容量大小动态变化的。
/** * the size of the arraylist (the number of elements it contains). */ private int size; // 实际元素个数 transient object[] elementdata;
注意：上面的 size 是指 elementdata 中实际有多少个元素，而 elementdata.length 为集合容量，表示最多可以容纳多少个元素。
默认初始容量大小为 10;
/** * default initial capacity. */ private static final int default_capacity = 10;
这个变量是定义在 abstractlist 中的。记录对 list 操作的次数。主要使用是在 iterator，是防止在迭代的过程中集合被修改。
protected transient int modcount = 0;
下面两个变量是用在构造函数里面的
/**
* 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 = {};
两个空的数组有什么区别呢？ we distinguish this from empty_elementdata to know how much to inflate when first element is added. 简单来讲就是第一次添加元素时知道该 elementdata 从空的构造函数还是有参构造函数被初始化的。以便确认如何扩容。
构造函数
无参构造函数
/**
* constructs an empty list with an initial capacity of ten.
*/
public arraylist() {
this.elementdata = defaultcapacity_empty_elementdata;
}
注意：注释是说构造一个容量大小为 10 的空的 list 集合，但构造函数了只是给 elementdata 赋值了一个空的数组，其实是在第一次添加元素时容量扩大至 10 的。
构造一个初始容量大小为 initialcapacity 的 arraylist
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);
}
}
由以上源码可见： 当使用无参构造函数时是把 defaultcapacity_empty_elementdata 赋值给 elementdata。 当 initialcapacity 为零时则是把 empty_elementdata 赋值给 elementdata。 当 initialcapacity 大于零时初始化一个大小为 initialcapacity 的 object 数组并赋值给 elementdata。
使用指定 collection 来构造 arraylist 的构造函数
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;
}
}
将 collection 转化为数组并赋值给 elementdata，把 elementdata 中元素的个数赋值给 size。 如果 size 不为零，则判断 elementdata 的 class 类型是否为 object[]，不是的话则做一次转换。 如果 size 为零，则把 empty_elementdata 赋值给 elementdata，相当于new arraylist(0)。
主要操作方法解析
add 操作
public boolean add(e e) {
ensurecapacityinternal(size + 1); // increments modcount!!
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++;
// overflow-conscious code
if (mincapacity - elementdata.length > 0)
grow(mincapacity);
}
由此可见：每次添加元素到集合中时都会先确认下集合容量大小。然后将 size 自增 1。ensurecapacityinternal 函数中判断如果 elementdata =defaultcapacity_empty_elementdata 就取 default_capacity 和 mincapacity 的最大值也就是 10。这就是 empty_elementdata 与defaultcapacity_empty_elementdata 的区别所在。同时也验证了上面的说法：使用无惨构造函数时是在第一次添加元素时初始化容量为 10 的。ensureexplicitcapacity 中对 modcount 自增 1，记录操作次数，然后如果 mincapacity 大于 elementdata 的长度，则对集合进行扩容。显然第一次添加元素时 elementdata 的长度为零。那我们来看看 grow 函数。
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);
}
很简单明了的一个函数，默认将扩容至原来容量的 1.5 倍。但是扩容之后也不一定适用，有可能太小，有可能太大。所以才会有下面两个 if 判断。如果1.5倍太小的话，则将我们所需的容量大小赋值给newcapacity，如果1.5倍太大或者我们需要的容量太大，那就直接拿 newcapacity = (mincapacity > max_array_size) ? integer.max_value : max_array_size 来扩容。然后将原数组中的数据复制到大小为 newcapacity 的新数组中，并将新数组赋值给 elementdata。
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++;
}
public boolean addall(collection<? extends e> c) {
object[] a = c.toarray();
int numnew = a.length;
ensurecapacityinternal(size + numnew); // increments modcount
system.arraycopy(a, 0, elementdata, size, numnew);
size += numnew;
return numnew != 0;
}
public boolean addall(int index, collection<? extends e> c) {
rangecheckforadd(index);
object[] a = c.toarray();
int numnew = a.length;
ensurecapacityinternal(size + numnew); // increments modcount
int nummoved = size - index;
if (nummoved > 0)
system.arraycopy(elementdata, index, elementdata, index + numnew, nummoved);
system.arraycopy(a, 0, elementdata, index, numnew);
size += numnew;
return numnew != 0;
}
有以上源码可知，add(int index, e element)，addall(collection<? extends e> c)，addall(int index, collection<? extends e> c) 操作是都是先对集合容量检查 ，以确保不会数组越界。然后通过 system.arraycopy() 方法将旧数组元素拷贝至一个新的数组中去。
remove 操作
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;
}
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
}
当我们调用 remove(int index) 时，首先会检查 index 是否合法，然后再判断要删除的元素是否位于数组的最后一个位置。如果 index 不是最后一个，就再次调用 system.arraycopy() 方法拷贝数组。说白了就是将从 index + 1 开始向后所有的元素都向前挪一个位置。然后将数组的最后一个位置空，size - 1。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，size - 1即可。 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。其实仔细观察 fastremove(int index) 方法和 remove(int index) 方法基本全部相同。
get操作
public e get(int index) {
rangecheck(index);
return elementdata(index);
}
由于 arraylist 底层是基于数组实现的，所以获取元素就相当简单了，直接调用数组随机访问即可。
迭代器 iterator
有使用过集合的都知道，在用 for 遍历集合的时候是不可以对集合进行 remove操作的，因为 remove 操作会改变集合的大小。从而容易造成结果不准确甚至数组下标越界，更严重者还会抛出 concurrentmodificationexception。
foreach 遍历等同于 iterator。为了搞清楚异常原因，我们还必须过一遍源码。
public iterator<e> iterator() {
return new itr();
}
原来是直接返回一个 itr 对象。
private class itr implements iterator<e> {
int cursor; // index of next element to return
int lastret = -1; // index of last element returned; -1 if no such
int expectedmodcount = modcount;
public boolean hasnext() {
return cursor != size;
}
@suppresswarnings("unchecked")
public e next() {
checkforcomodification();
int i = cursor;
if (i >= size)
throw new nosuchelementexception();
object[] elementdata = arraylist.this.elementdata;
if (i >= elementdata.length)
throw new concurrentmodificationexception();
cursor = i + 1;
return (e) elementdata[lastret = i];
}
public void remove() {
if (lastret < 0)
throw new illegalstateexception();
checkforcomodification();
try {
arraylist.this.remove(lastret);
cursor = lastret;
lastret = -1;
expectedmodcount = modcount;
} catch (indexoutofboundsexception ex) {
throw new concurrentmodificationexception();
}
}
final void checkforcomodification() {
if (modcount != expectedmodcount)
throw new concurrentmodificationexception();
}
}
从源码可以看出，arraylist 定义了一个内部类 itr 实现了 iterator 接口。在 itr 内部有三个成员变量。 cursor：代表下一个要访问的元素下标。 lastret：代表上一个要访问的元素下标。 expectedmodcount：代表对 arraylist 修改次数的期望值，初始值为 modcount。
下面看看 itr 的三个主要函数。
- hasnext 实现比较简单，如果下一个元素的下标等于集合的大小 ，就证明到最后了。
- next 方法也不复杂，但很关键。首先判断 expectedmodcount 和 modcount 是否相等。然后对 cursor 进行判断，看是否超过集合大小和数组长度。然后将 cursor 赋值给 lastret ，并返回下标为 lastret 的元素。最后将 cursor 自增 1。开始时，cursor = 0，lastret = -1；每调用一次 next 方法， cursor 和 lastret 都会自增 1。
- remove 方法首先会判断 lastret 的值是否小于 0，然后在检查 expectedmodcount 和 modcount 是否相等。接下来是关键，直接调用 arraylist 的 remove 方法删除下标为 lastret 的元素。然后将 lastret 赋值给 cursor ，将 lastret 重新赋值为 -1，并将 modcount 重新赋值给 expectedmodcount。
下面我们一步一步来分析 itr 的操作。如图一所示，开始时 cursor 指向下标为 0 的元素，lastret 指向下标为 -1 的元素，也就是 null。每调用一次 next，cursor 和lastret 就分别会自增 1。当 next 返回 “c” 时，cursor 和 lastret 分别为 3 和 2 [图二]。
此时调用 remove，注意是 arraylist 的 remove，而不是 itr 的 remove。会将 d e 两个元素直接往前移动一位，最后一位置空，并且 modcount 会自增 1。从 remove 方法可以看出。[图三]。
此时 cursor = 3，size = 4，没有到数组末尾，所以循环继续。来到 next 方法，因为上一步的 remove 方法对 modcount 做了修改 ，致使 expectedmodcount 与 modcount 不相等，这就是 concurrentmodificationexception 异常的原因所在。从例子.png中也可以看出异常出自 arraylist 中的内部类 itr 中的 checkforcomodification 方法。
异常的解决：
直接调用 iterator.remove() 即可。因为在该方法中增加了 expectedmodcount = modcount 操作。但是这个 remove 方法也有弊端。
- 1、只能进行remove操作，add、clear 等 itr 中没有。
- 2、调用 remove 之前必须先调用 next。因为 remove 开始就对 lastret 做了校验。而 lastret 初始化时为 -1。
- 3、next 之后只可以调用一次 remove。因为 remove 会将 lastret 重新初始化为 -1
总结
arraylist 底层基于数组实现容量大小动态可变。 扩容机制为首先扩容为原始容量的 1.5 倍。如果1.5倍太小的话，则将我们所需的容量大小赋值给 newcapacity，如果1.5倍太大或者我们需要的容量太大，那就直接拿 newcapacity = (mincapacity > max_array_size) ? integer.max_value : max_array_size 来扩容。 扩容之后是通过数组的拷贝来确保元素的准确性的，所以尽可能减少扩容操作。 arraylist 的最大存储能力：integer.max_value。 size 为集合中存储的元素的个数。elementdata.length 为数组长度，表示最多可以存储多少个元素。 如果需要边遍历边 remove ，必须使用 iterator。且 remove 之前必须先 next，next 之后只能用一次 remove。
以上所述是小编给大家介绍的java数据结构arraylist详解，希望对大家有所帮助。在此也非常感谢大家对网站的支持！
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