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面试必会之ArrayList源码分析&手写ArrayList

来源:本站原创 浏览:175次 时间:2021-07-29

注:本文所有方法和示例基于jdk1.8

简介
ArrayList是我们开发中非常常用的数据存储容器之一,其底层是数组实现的,我们可以在集合中存储任意类型的数据,ArrayList是线程不安全的,非常适合用于对元素进行查找,效率非常高。

线程安全性
对ArrayList的操作一般分为两个步骤,改变位置(size)和操作元素(e)。所以这个过程在多线程的环境下是不能保证具有原子性的,因此ArrayList在多线程的环境下是线程不安全的。

源码分析

  1. 属性分析
/** * 默认初始化容量 */private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;/** * 如果自定义容量为0,则会默认用它来初始化ArrayList。或者用于空数组替换。 */private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};/** * 如果没有自定义容量,则会使用它来初始化ArrayList。或者用于空数组比对。 */private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};/** * 这就是ArrayList底层用到的数组 * 非私有,以简化嵌套类访问 * transient 在已经实现序列化的类中,不允许某变量序列化 */transient Object[] elementData;/** * 实际ArrayList集合大小 */private int size;/** * 可分配的最大容量 */private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

扩展:什么是序列化
序列化是指:将对象转换成以字节序列的形式来表示,以便用于持久化和传输。

实现方法:实现Serializable接口。

然后用的时候拿出来进行反序列化即可又变成Java对象。

transient关键字解析
Java中transient关键字的作用,简单地说,就是让某些被修饰的成员属性变量不被序列化。

有了transient关键字声明,则这个变量不会参与序列化操作,即使所在类实现了Serializable接口,反序列化后该变量为空值。

那么问题来了:ArrayList中数组声明:transient Object[] elementData;,事实上我们使用ArrayList在网络传输用的很正常,并没有出现空值。

原来:ArrayList在序列化的时候会调用writeObject()方法,将size和element写入ObjectOutputStream;反序列化时调用readObject(),从ObjectInputStream获取size和element,再恢复到elementData。

那为什么不直接用elementData来序列化,而采用上诉的方式来实现序列化呢?

原因在于elementData是一个缓存数组,它通常会预留一些容量,等容量不足时再扩充容量,那么有些空间可能就没有实际存储元素,采用上诉的方式来实现序列化时,就可以保证只序列化实际存储的那些元素,而不是整个数组,从而节省空间和时间。

2. 构造方法分析
根据initialCapacity 初始化一个空数组,如果值为0,则初始化一个空数组:

/** * 根据initialCapacity 初始化一个空数组 */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);    }}

不带参数初始化,默认容量为10:

/** * 不带参数初始化,默认容量为10 */public ArrayList() {    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;}

通过集合做参数的形式初始化:如果集合为空,则初始化为空数组:

/** * 通过集合做参数的形式初始化 */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;    }}

3. 主干方法
trimToSize()方法:
用来最小化实例存储,将容器大小调整为当前元素所占用的容量大小。

/** * 这个方法用来最小化实例存储。 */public void trimToSize() {    modCount++;    if (size < elementData.length) {        elementData = (size == 0)          ? EMPTY_ELEMENTDATA          : Arrays.copyOf(elementData, size);    }}

clone()方法
用来克隆出一个新数组。

public Object clone() {    try {        ArrayList<?> v = (ArrayList<?>) super.clone();        v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);        v.modCount = 0;        return v;    } catch (CloneNotSupportedException e) {        // this shouldn't happen, since we are Cloneable        throw new InternalError(e);    }}

通过调用Object的clone()方法来得到一个新的ArrayList对象,然后将elementData复制给该对象并返回。

add(E e)方法
在数组末尾添加元素

/** * 在数组末尾添加元素 */public boolean add(E e) {    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!    elementData[size++] = e;    return true;}

看到它首先调用了ensureCapacityInternal()方法.注意参数是size+1,这是个面试考点。

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {    ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));}

这个方法里又嵌套调用了两个方法:计算容量+确保容量

计算容量:如果elementData是空,则返回默认容量10和size+1的最大值,否则返回size+1

private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {        return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);    }    return minCapacity;}

计算完容量后,进行确保容量可用:(modCount不用理它,它用来计算修改次数)

如果size+1 > elementData.length证明数组已经放满,则增加容量,调用grow()。

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {    modCount++;    // overflow-conscious code    if (minCapacity - elementData.length > 0)        grow(minCapacity);}

增加容量:默认1.5倍扩容。

获取当前数组长度=>oldCapacity

oldCapacity>>1 表示将oldCapacity右移一位(位运算),相当于除2。再加上1,相当于新容量扩容1.5倍。

如果newCapacity>1=1,1<2所以如果不处理该情况,扩容将不能正确完成。

如果新容量比最大值还要大,则将新容量赋值为VM要求最大值。

将elementData拷贝到一个新的容量中。

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);}

size+1的问题
好了,那到这里可以说一下为什么要size+1。

size+1代表的含义是:

如果集合添加元素成功后,集合中的实际元素个数。

为了确保扩容不会出现错误。

假如不加一处理,如果默认size是0,则0+0>>1还是0。
如果size是1,则1+1>>1还是1。有人问:不是默认容量大小是10吗?事实上,jdk1.8版本以后,ArrayList的扩容放在add()方法中。之前放在构造方法中。我用的是1.8版本,所以默认ArrayList arrayList = new ArrayList();后,size应该是0.所以,size+1对扩容来讲很必要.

public static void main(String[] args) {    ArrayList arrayList = new ArrayList();    System.out.println(arrayList.size());}

输出:0
事实上上面的代码是证明不了容量大小的,因为size只会在调用add()方法时才会自增。有办法的小伙伴可以在评论区大显神通。

add(int index, E element)方法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++;}

rangeCheckForAdd()是越界异常检测方法。ensureCapacityInternal()之前有讲,着重说一下System.arrayCopy方法:

public static void arraycopy(Object src, int srcPos, Object dest, int destPos, int length)
代码解释:

Object src : 原数组

int srcPos : 从元数据的起始位置开始

Object dest : 目标数组

int destPos : 目标数组的开始起始位置

int length : 要copy的数组的长度

示例:size为6,我们调用add(2,element)方法,则会从index=2+1=3的位置开始,将数组元素替换为从index起始位置为index=2,长度为6-2=4的数据。


异常处理:

private void rangeCheckForAdd(int index) {    if (index > size || index < 0)        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));}

set(int index,E element)方法

public E set(int index, E element) {    rangeCheck(index);    E oldValue = elementData(index);    elementData[index] = element;    return oldValue;}E elementData(int index) {    return (E) elementData[index];}

逻辑很简单,覆盖旧值并返回。

indexOf(Object o)方法
根据Object对象获取数组中的索引值。

public int indexOf(Object o) {    if (o == null) {        for (int i = 0; i < size; i++)            if (elementData[i]==null)                return i;    } else {        for (int i = 0; i < size; i++)            if (o.equals(elementData[i]))                return i;    }    return -1;}

如果o为空,则返回数组中第一个为空的索引;不为空也类似。

注意:通过源码可以看到,该方法是允许传空值进来的。

get(int index)方法
返回指定下标处的元素的值。

public E get(int index) {    rangeCheck(index);    return elementData(index);}

rangeCheck(index)会检测index值是否合法,如果合法则返回索引对应的值。

remove(int index)方法
删除指定下标的元素。

public E remove(int index) {    // 检测index是否合法    rangeCheck(index);    // 数据结构修改次数    modCount++;    E oldValue = elementData(index);    // 记住这个算法    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;}

这里又碰到了System.arraycopy()方法,详情请查阅上文。

大概思路:将该元素后面的元素前移,最后一个元素置空。

ArrayList优缺点
优点:

因为其底层是数组,所以修改和查询效率高。

可自动扩容(1.5倍)。

缺点:

插入和删除效率不高。

线程不安全。

手写ArrayList
那面试手写ArrayList应该就不是问题了。

下面贴出我手写的一个简单阉割版的ArrayList:

public class MyArrayList {    // 非私有,以简化嵌套类访问    // transient 在已经实现序列化的类中,不允许某变量序列化    transient Object[] elementData;    //默认容量    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;    // 用于空实例的 空数组实例    private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};    // 实际ArrayList集合大小    private int size;    /**     * 构造方法     */    public MyArrayList(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 MyArrayList(){        this(DEFAULT_CAPACITY);    }    public void add(Object o){        //1. 判断数据容量是否大于 elementData        ensureExplicitCapacity(size+1);        //2. 使用下标进行赋值        elementData[size++] = o;    }    private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity){        if (size == elementData.length){            // 需要扩容,扩容1.5倍(ArrayList默认扩容1.5倍)       ��ţ,������     // 注意:如果oldCapacity值为1            int oldCapacity = elementData.length;            int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);            // 如果新容量 < 最小容量, 则将最小容量赋值给新容量            // 如果 oldCapacity=1, 则 minCapacity=1+1=2   newCapacity=1+(1>>1)=1            if (newCapacity - minCapacity < 0){                newCapacity = minCapacity;            }            // 创建新数组            Object[] objects = new Object[newCapacity];            // 将数据复制给新数组            System.arraycopy(elementData, 0, objects, 0, elementData.length);            // 修改引用            elementData = objects;        }    }    public Object get(int index) {        rangeCheck(index);        return elementData[index];    }    private void rangeCheck(int index) {        if (index >= size)            throw new IndexOutOfBoundsException("下标越界");    }    /**     * 通过下标删除     * @param index     * @return     */    public Object remove(int index) {        rangeCheck(index);//        modCount++;        // 先查出元素        Object oldValue = elementData[index];        // 找出置换结束位置        int numMoved = size - index - 1;        if (numMoved > 0)            // 从 index+1 开始 将值覆盖为 index-numMoved 的值            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) {            for (int index = 0; index < size; index++){                if (o.equals(elementData[index])) {                    remove(index);                    return true;                }            }        return false;    }}

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