面試必會之ArrayList原始碼分析以及手寫ArrayList

原始碼分析 · 發表 2019-03-31 20:59:49

摘要：簡介 ArrayList是我們開發中非常常用的資料儲存容器之一，其底層是陣列實現的，我們可以在集合中儲存任意型別的資料，ArrayList是執行緒不安全的，非常適合用於對元素進行查詢，效率非常高。執行緒安全性對ArrayList的操作一般分為兩個步驟，改變位置(size)和操作...

簡介

ArrayList是我們開發中非常常用的資料儲存容器之一，其底層是陣列實現的，我們可以在集合中儲存任意型別的資料，ArrayList是執行緒不安全的，非常適合用於對元素進行查詢，效率非常高。

執行緒安全性

對ArrayList的操作一般分為兩個步驟，改變位置(size)和操作元素(e)。所以這個過程在多執行緒的環境下是不能保證具有原子性的，因此ArrayList在多執行緒的環境下是執行緒不安全的。

原始碼分析

1. 屬性分析

/**
 * 預設初始化容量
 */
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

/**
 * 如果自定義容量為0，則會預設用它來初始化ArrayList。或者用於空陣列替換。
 */
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

/**
 * 如果沒有自定義容量，則會使用它來初始化ArrayList。或者用於空陣列比對。
 */
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

/**
 * 這就是ArrayList底層用到的陣列

 * 非私有，以簡化巢狀類訪問
 * transient 在已經實現序列化的類中，不允許某變數序列化
 */
transient Object[] elementData;

/**
 * 實際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;
複製程式碼

擴充套件：什麼是序列化

序列化是指：將物件轉換成以位元組序列的形式來表示，以便用於持久化和傳輸。

實現方法：實現Serializable介面。

然後用的時候拿出來進行反序列化即可又變成Java物件。

transient關鍵字解析

Java中transient關鍵字的作用，簡單地說，就是讓某些被修飾的成員屬性變數不被序列化。

有了 transient 關鍵字宣告，則這個變數不會參與序列化操作，即使所在類實現了Serializable介面，反序列化後該變數為空值。

那麼問題來了：ArrayList中陣列宣告： transient Object[] elementData; ，事實上我們使用ArrayList在網路傳輸用的很正常，並沒有出現空值。

原來： ArrayList 在序列化的時候會呼叫 writeObject() 方法，將 size 和 element 寫入 ObjectOutputStream ；反序列化時呼叫 readObject() ，從 ObjectInputStream 獲取 size 和 element ，再恢復到 elementData 。

那為什麼不直接用elementData來序列化，而採用上訴的方式來實現序列化呢？

原因在於 elementData 是一個快取陣列，它通常會預留一些容量，等容量不足時再擴充容量，那麼有些空間可能就沒有實際儲存元素，採用上訴的方式來實現序列化時，就可以保證只序列化實際儲存的那些元素，而不是整個陣列，從而 節省空間和時間 。

2. 構造方法分析

根據initialCapacity 初始化一個空陣列，如果值為0，則初始化一個空陣列:

/**
 * 根據initialCapacity 初始化一個空陣列
 */
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);
}
}
複製程式碼

不帶引數初始化，預設容量為10:

/**
 * 不帶引數初始化，預設容量為10
 */
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
複製程式碼

通過集合做引數的形式初始化：如果集合為空，則初始化為空陣列：

/**
 * 通過集合做引數的形式初始化
 */
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;
}
}
複製程式碼

3. 主幹方法

trimToSize()方法：

用來最小化例項儲存，將容器大小調整為當前元素所佔用的容量大小。

/**
 * 這個方法用來最小化例項儲存。
 */
public void trimToSize() {
modCount++;
if (size < elementData.length) {
elementData = (size == 0)
? EMPTY_ELEMENTDATA
: Arrays.copyOf(elementData, size);
}
}複製程式碼

clone()方法

用來克隆出一個新陣列。

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);
}
}
複製程式碼

通過呼叫 Object 的 clone() 方法來得到一個新的 ArrayList 物件，然後將 elementData 複製給該物件並返回。

add(E e)方法

在陣列末尾新增元素

/**
 * 在陣列末尾新增元素
 */
public boolean add(E e) {
ensureCapacityInternal(size + 1);// Increments modCount!!
elementData[size++] = e;
return true;
}
複製程式碼

看到它首先呼叫了 ensureCapacityInternal() 方法.注意引數是size+1,這是個面試考點。

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}
複製程式碼

這個方法裡又巢狀呼叫了兩個方法:計算容量+確保容量

計算容量：如果elementData是空，則返回預設容量10和size+1的最大值，否則返回size+1

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

計算完容量後，進行確保容量可用：(modCount不用理它，它用來計算修改次數)

如果 size+1 > elementData.length 證明陣列已經放滿，則增加容量，呼叫 grow() 。

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
modCount++;

// overflow-conscious code
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}
複製程式碼

增加容量：預設1.5倍擴容。

獲取當前陣列長度=>oldCapacity
oldCapacity>>1 表示將oldCapacity右移一位(位運算)，相當於除2。再加上1，相當於新容量擴容1.5倍。
如果 newCapacity<minCapacity ，則 newCapacity = minCapacity 。看例子更明白一點：假設size為1,則 minCapacity=size+1=2 ,而 elementData.length=1 , newCapacity=1+1>>1=1 , 1<2 所以如果不處理該情況，擴容將不能正確完成。
如果新容量比最大值還要大，則將新容量賦值為VM要求最大值。
將elementData拷貝到一個新的容量中。

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);
}複製程式碼

size+1的問題

好了，那到這裡可以說一下為什麼要size+1。

size+1代表的含義是：

如果集合新增元素成功後，集合中的實際元素個數。
為了確保擴容不會出現錯誤。

假如不加一處理，如果預設size是0，則0+0>>1還是0。

如果size是1，則1+1>>1還是1。有人問:不是預設容量大小是10嗎?事實上，jdk1.8版本以後，ArrayList的擴容放在add()方法中。之前放在構造方法中。我用的是1.8版本，所以預設 ArrayList arrayList = new ArrayList(); 後，size應該是0.所以,size+1對擴容來講很必要.

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

輸出:0
複製程式碼

事實上上面的程式碼是證明不了容量大小的，因為size只會在呼叫 add() 方法時才會自增。有辦法的小夥伴可以在評論區大顯神通。

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++;
}
複製程式碼

rangeCheckForAdd()是越界異常檢測方法。 ensureCapacityInternal() 之前有講，著重說一下 System.arrayCopy 方法：

public static void arraycopy(Object src, int srcPos, Object dest, int destPos, int length)
程式碼解釋:
　　Object src : 原陣列
int srcPos : 從元資料的起始位置開始
　　Object dest : 目標陣列
　　int destPos : 目標陣列的開始起始位置
　　int length: 要copy的陣列的長度
複製程式碼

示例：size為6，我們呼叫 add(2,element) 方法，則會從index= 2+1=3 的位置開始，將陣列元素替換為從index起始位置為 index=2 ，長度為 6-2=4 的資料。

異常處理：

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

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];
}
複製程式碼

邏輯很簡單，覆蓋舊值並返回。

indexOf(Object o)方法

根據Object物件獲取陣列中的索引值。

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;
}
複製程式碼

如果o為空，則返回陣列中第一個為空的索引；不為空也類似。

注意：通過原始碼可以看到，該方法是允許傳空值進來的。

get(int index)方法

返回指定下標處的元素的值。

public E get(int index) {
rangeCheck(index);

return elementData(index);
}
複製程式碼

rangeCheck(index) 會檢測index值是否合法，如果合法則返回索引對應的值。

remove(int index)方法

刪除指定下標的元素。

public E remove(int index) {
// 檢測index是否合法
rangeCheck(index);
// 資料結構修改次數
modCount++;
E oldValue = elementData(index);

// 記住這個演算法
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;
}
複製程式碼

這裡又碰到了 System.arraycopy() 方法，詳情請查閱上文。

大概思路：將該元素後面的元素前移，最後一個元素置空。

ArrayList優缺點

優點：

因為其底層是陣列，所以修改和查詢效率高。
可自動擴容(1.5倍)。

缺點：

插入和刪除效率不高。
執行緒不安全。

手寫ArrayList

那面試手寫ArrayList應該就不是問題了。

下面貼出我手寫的一個簡單閹割版的ArrayList：

public class MyArrayList {

// 非私有，以簡化巢狀類訪問
// transient 在已經實現序列化的類中，不允許某變數序列化
transient Object[] elementData;

//預設容量
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

// 用於空例項的 空陣列例項
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
// 實際ArrayList集合大小
private int size;
/**
* 構造方法
*/
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. 判斷資料容量是否大於 elementData
ensureExplicitCapacity(size+1);
//2. 使用下標進行賦值
elementData[size++] = o;
}
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity){
if (size == elementData.length){
// 需要擴容,擴容1.5倍(ArrayList預設擴容1.5倍)
// 注意：如果oldCapacity值為1
int oldCapacity = elementData.length;
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
// 如果新容量 < 最小容量， 則將最小容量賦值給新容量
// 如果 oldCapacity=1, 則 minCapacity=1+1=2newCapacity=1+(1>>1)=1
if (newCapacity - minCapacity < 0){
newCapacity = minCapacity;
}
// 建立新陣列
Object[] objects = new Object[newCapacity];
// 將資料複製給新陣列
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("下標越界");
}

/**
* 通過下標刪除
* @param index
* @return
*/
public Object remove(int index) {
rangeCheck(index);

//modCount++;
// 先查出元素
Object oldValue = elementData[index];
// 找出置換結束位置
int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0)
// 從 index+1 開始 將值覆蓋為 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;
}
}複製程式碼

最後

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