ArrayList源码解析

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前言

在业务场景以及日常开发中,ArrayList往往是最频繁使用的List实现类,这由它的结构以及特性决定。ArrayList顾名思义,其底层是由数组实现,因此查询时间复杂度是常数级别的,再加之有一些小优化,查询速度会更快。由于其底层是数组实现,插入和删除都是O(n)级别的。业务场景往往是多读少写的,因此ArrayList就很适合。下面就来解析ArrayList的源码以及常见方法的实现

  • 本篇文章基于JDK8

正文

1. 成员变量

首先看一下它的成员变量

  • DEFAULT_CAPACITY = 10:默认容量为10,用于在add方法添加第一个元素的时候初始化数组大小
  • EMPTY_ELEMENTDATA = {}, DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {}:用于扩容的空数组
  • elementData:实际存放元素的数组
  • size:包含的元素个数

2. 调试源码

2.1 插入元素

这里我先通过测试代码调试add方法的插入过程,因为观察添加元素过程,成员变量和构造方法的作用,自然就会明白

import java.util.ArrayList;
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<Object> objects = new ArrayList<>();
        objects.add(1);
        objects.add("qweqweqweqwe");
        objects.add(3);
        objects.add(4);
        objects.add(5);
        objects.add(6);
        objects.add(7);
        objects.add(8);
        objects.add(9);
        objects.add(10);
        objects.add(11);
        System.out.println(objects.size());
    }
}
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跟着断点执行,首先会经过new ArrayList(),也就是其默认构造方

  • 可以看到,会对elementData数组进行初始化,DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA就是上面说的空数组成员变量

接着走到第二部,add第一个元素

这里有一个小优化,当元素在-128~127之间,会添加至缓存,对于常用的元素以便提高查询效率

接着便会走到add方法

add方法第一行的ensureCapacityInternal方法,顾名思义,这是一个保证添加元素,不会越界的方法。当然其中包含扩容方法,下面进行说明

可以看到,这个方法在第一次add元素时,会进行一次扩容,其容量就是上述成员变量那个默认值10

  • 其中,minCapacity的含义为,当前所需的最小容量

然后会通过grow方法进行扩容,如果说上面是扩容前准备,这是真正的扩容方法

因为是第一次扩容,这里会走如下箭头的方法

注意方法第二行的位运算,算术右移一位,相当于除以2,因此整行代码计算出的新容量,会是旧容量的1.5倍

最后一行,对elementData进行扩容,其容量为newCapacity,暂时为使用的初始化为0。copyOf方法示例

public class Test2 {
    public static void main(String[] args) {
        int[] arr={1,2,3,4,5};
        int[] ints = Arrays.copyOf(arr, 10);
        for (int i : ints) {
            System.out.println(i); //1 2 3 4 5 0 0 0 0 0
        }
    }
}
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执行完扩容,接着就是添加元素了,第一个元素添加过程就是这样

第二个元素,我选用了一个字符串,只是为了演示,对于不常用(长度很大)的字符串,是不会走缓存的。当然此时容量为10,而size=1,走了一下ensureCapacityInternal方法检查空间是否足够,也不会扩容

直到加到第十个元素,都不会再进行扩容

第十一个元素,因为这时候容量是十,因此会进行扩容,根据上述位运算的扩容方式,新的容量应该是15,如下所示

至此,add方法便演示完毕了,总结一下就一个套路,还是很简单的

  • 首先调用默认构造方法初始化长度为0的空数组
  • 添加第一个元素,会使用默认的成员变量DEFAULT_CAPACITY=10进行扩容
  • 继续添加元素,检查容量,如果容量足够,直接添加
  • 如果容量不够,进行1.5倍扩容

2.2 删除元素

删除元素分为两种

  • remove(Object o):如果参数为对象,例如字符串,遍历删除第一个符合的元素
  • remove(int index):如果参数为整形,删除该下标元素

首先看一下remove(Object o) 的源代码

可以看到,无论是传null,还是非null,就是遍历数组,找到符合的第一个元素删除并返回。删除元素会调用fastRemove() 方法

fastRemove() 的源代码

我们知道,删除数组某个元素,是要移动数组后面的所有元素,因此时间复杂度是O(n)

如下代码中的arraycopy方法便是用来移动数组元素的,其中的参数:

  • src:源数组
  • srcPos:源数组要复制的起始位置
  • dest:目标数组
  • destPos:目标数组放置的起始位置
  • length:复制的长度,这里通过计算是numMoved

整个删除逻辑是,把index下标后面的元素全部复制提前一位,然后将最后一个元素置为null,自然就会被GC回收

按照下标删除元素的方式大同小异,源码如下,这里就不再赘述

3. ArrayList的迭代器

再看迭代器源码前,同样先写出测试代码用于调试

public class TestListIterator {

    public static void main(String[] args) {
        ArrayList arrayList = new ArrayList();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            arrayList.add(i);
        }

        Iterator<Integer> iterator = arrayList.iterator();
        while (iterator.hasNext()) {
            System.out.println(iterator.next());
            iterator.remove();
        }
    }
}
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3.1 迭代器的构造方法

可以看到,再调用iterator()方法时,会返回一个迭代器的对象

构造方法将会初始化一些成员变量如下

// 游标,该游标用于遍历集合,每当调用next()方法便会+1
int cursor;       
// 要返回的元素下标,在只是遍历集合的情况下,该变量总是比cursor小1,迭代器的删除方法也有用到
int lastRet = -1; 
//用来判断多线程下数据是否异常
int expectedModCount = modCount;
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3.2 next()方法

这里要提一下上面遇到但没有进行说明的modCount变量。ArrayList的新增删除过modCount都会+1,感觉像是记录操作次数的,很容易就能想到是为了处理多线程下产生的异常情况。下面进行debug上面贴出的测试代码,分析迭代器源代码

首先是hasNext()方法,该方法没什么好说的,但是可以体现cursor游标的其中一个作用

接着是next()方法,进入next()方法会先调用checkForComodification(),用于检查集合是否被修改。刚才说过,构造方法初始化的时候,会把modCount赋值给expectedModCount,假设遍历过程中,集合被其他线程修改,那么modCount值会改变,因此下面方法就会抛出异常。当然单线程也会出现以下异常,下面会进行说明

next() 方法很简单,就是每次调用游标+1,然后返回当前(lastRet)下标下的元素

3.3 remove() 方法

首先看一下try语句的第一行,它会调用ArrayList的remove,上文有讲过,其实就是最终调用System.arraycopy方法,把lastRet后面的元素向前移动一位,最后一个元素赋值null,从而被GC回收

其之后lastRet赋值为-1,为什么赋值-1呢?这里抛出一个问题,一次循环是否能调用两次remove?

最后expectedModCount = modCount,因为调用了ArrayList.remove(),modCount必然改变,所以要重新复制,否则会抛出ConcurrentModificationException。这也是为什么在迭代器不能调用list.remove的原因,因为list的remove不会修改迭代器的expectedModCount成员变量,会抛出ConcurrentModificationException,因此在单线程操作不当也会出现这个异常

那么上面说一趟循环调用两次iterator.remove会发生什么?

因为第一次remove后lastRet为-1,所以会抛出一下异常。而在next()方法中,又会更新lastRet的值,游标的前一个值,也就是要返回的值,因此remove方法往往是在next()方法之后调用

4. 线程安全的Vector

Vector已经不再推荐使用了,由于逻辑和ArrayList非常相似,底层同样是数组,这里简单做下对比。从源码可知

  • Vector的添加删除方法有synchronized修饰,因此达到线程安全的目的
  • 其扩容方法,每次扩容至原来的两倍

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