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源码阅读之ArrayList实现细节

2018-11-06 917
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简介： ArrayList 可以说是 Java 程序猿最为常用的一种数据结构了。ArrayList 是通过数组实现的，容量可以自增的线性表。而数组的优点是计算机可以通过下标计算访问地址，所以访问元素的速度是很快的，时间复杂度为O(1)；但数组并不擅长插入和删除操作，这些操作的时间复杂度是O(n)。

0x00 描述

ArrayList 可以说是 Java 程序猿最为常用的一种数据结构了。ArrayList 是通过数组实现的，容量可以自增的线性表。而数组的优点是计算机可以通过下标计算访问地址，所以访问元素的速度是很快的，时间复杂度为O(1)；但数组并不擅长插入和删除操作，这些操作的时间复杂度是O(n)。因此 ArrayList 继承了数组这些特点。

继承关系

ArrayList 继承于 AbstractList 并实现了 List 、RandomAccess、Cloneable 和 Serializable 接口。

而 AbstractList 是继承于 Collection 接口。因此简单的关系图可以表达为

arraylist_structure

重要属性
  • elementData 这个是存放数据的 Object 数组
  • size 记录当前数组元素的个数
  • modCount 用于记录修改次数，例如增加、删除等操作时此变量会自增。当这个变量异常变化时，会抛出 ConcurrentModificationException
构造方法
public ArrayList() {
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

默认构造函数初始化 elementData 大小为10 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);
    }
}

此方法通过一个 initialCapacity 变量对数组进行初始化。当传入的 initialCapacity 大于0时，elementData就是初始化为大小为 initialCapacity 的空数组；否则就是初始化为大小为0的空数组。

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;
    }
}

这个方法是通过一个 Collection 对象进行初始化的。这里调用了 Arrays.copyOf 方法将数组元素进行拷贝，并返回一个新的数组。后文会详细解析这个方法。

0x01 常用方法

add(E e)

给 ArrayList 添加一个元素

public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

添加元素之前，调用了 ensureCapacityInternal 方法，确保 elementData 数组有足够的空间。然后数组后面添加一个元素，并把元素个数 size 的值加1。

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }

    ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}

在 ensureCapacityInternal 中先判断 elementData 是否为空数组，如果是，则取 DEFAULT_CAPACITY 与 minCapacity 的最大值作为数组的最小容量。

然后再执行 ensureExplicitCapacity 方法。

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

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

先把 modCount 加1，表示对该列表进行了一次操作。

minCapacity 表示目前需要的容量大小。如果它大于目前 elementData 的容量大小，那么就会执行 grow 方法增加数组容量。

private void grow(int minCapacity) {
    // overflow-conscious code
    int oldCapacity = elementData.length;
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);//右移1位操作相当于除2
    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);
}

该方法的逻辑是

  1. 先获取到 newCapacity ，它是原来容量大小的1.5倍
  2. 如果需要的容量大小 minCapacity 大于原来容量的1.5，那么 newCapacity 就取 minCapacity
  3. 如果 newCapacity 还大于最大的容量，那么就执行 hugeCapacity 来计算得到容量大小
  4. 最后调用 Arrays.copyOf 方法把 elementData 拷贝到一个新的数组中，这个新数组大小为 newCapacity 
private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
    if (minCapacity < 0) // overflow
        throw new OutOfMemoryError();
    return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ? Integer.MAX_VALUE : MAX_ARRAY_SIZE;
}

因此在调用 add 方法时，如果当前数组 elementData 的容量不够时，就会调用扩容的 grow 方法，把数组扩大为原来的1.5倍的大小。

add(int index, E element)

在指定的 index 位置上添加一个元素

public void add(int index, E element) {
    if (index > size || index < 0)
        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));

    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index);
    elementData[index] = element;
    size++;
}

通过上面的 add 方法的走读，这个方法就很好理解了。

先对 index 参数的有效性进行判断；

然后执行 ensureCapacityInternal 确保数组的容量大小是足够的，此时 modCount 也会自增；

再执行 System.arraycopy 方法把数组元素从 index 的位置后移1位；（System.arraycopy 函数后文还会讲到）

最后在 index 位置上赋值，并把 size 加 1。

addAll(Collection<? extends E> c)
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;
}

addAll 方法把一个 Collection 对象添加到列表中来。

它会先把 Collection 对象通过 toArray 方法转化为数组，然后再调用 System.arraycopy 进行数据的移动。

addAll(int index, Collection<? extends E> c)
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
    if (index > size || index < 0)
        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(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;
}

在 index 位置上添加一个列表

它与上面 addAll 方法的区别就是先从 index 开始移动 numNew 个位置，即空出 numNew 个位置。

然后再空出的 numNew 位置上添加元素。

remove(int index)

删除指定 index 位置上的元素

public E remove(int index) {
    if (index >= size)
        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));

    modCount++;
    E oldValue = (E) 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;
}

执行流程为

  1. 检查 index 有效性，无效则抛出 IndexOutOfBoundsException 异常
  2. modCount 自增
  3. 通过 index 下标取出元素
  4. 计算 index 后面需要移动的元素个数
  5. 通过 System.arraycopy 将 index 后面的元素都往前移动1位
  6. 最后把末尾元素置位 null，并把 size 的值减 1。
remove(Object o)

通过一个元素对象进行删除

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;
}

当传一个元素对象进行删除操作时，需要遍历数组，找到该元素在列表中的位置 index；

然后通过 fastRemove 方法进行删除。

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
}
clear()

清空列表

public void clear() {
    modCount++;

    // clear to let GC do its work
    for (int i = 0; i < size; i++)
        elementData[i] = null;

    size = 0;
}
subList(int fromIndex, int toIndex)

获取子列表

public List<E> subList(int fromIndex, int toIndex) {
    subListRangeCheck(fromIndex, toIndex, size);
    return new SubList(this, 0, fromIndex, toIndex);
}

static void subListRangeCheck(int fromIndex, int toIndex, int size) {
    if (fromIndex < 0)
        throw new IndexOutOfBoundsException("fromIndex = " + fromIndex);
    if (toIndex > size)
        throw new IndexOutOfBoundsException("toIndex = " + toIndex);
    if (fromIndex > toIndex)
        throw new IllegalArgumentException("fromIndex(" + fromIndex +") > toIndex(" + toIndex + ")");
}

首先检查下标是否正确，然后构造一个 SubList 对象，这是一个内部类。

SubList 也是继承于 AbstractList。

private class SubList extends AbstractList<E> implements RandomAccess {
        private final AbstractList<E> parent;
        private final int parentOffset;
        private final int offset;
        int size;

        SubList(AbstractList<E> parent,
                int offset, int fromIndex, int toIndex) {
            this.parent = parent;
            this.parentOffset = fromIndex;
            this.offset = offset + fromIndex;
            this.size = toIndex - fromIndex;
            this.modCount = ArrayList.this.modCount;
        }

        public E set(int index, E e) {
            if (index < 0 || index >= this.size)
                throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
            if (ArrayList.this.modCount != this.modCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
            E oldValue = (E) ArrayList.this.elementData[offset + index];
            ArrayList.this.elementData[offset + index] = e;
            return oldValue;
        }

        public E get(int index) {
            if (index < 0 || index >= this.size)
              throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
            if (ArrayList.this.modCount != this.modCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
            return (E) ArrayList.this.elementData[offset + index];
        }

        ...

        public void add(int index, E e) {
            if (index < 0 || index > this.size)
                throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
            if (ArrayList.this.modCount != this.modCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
            parent.add(parentOffset + index, e);
            this.modCount = parent.modCount;
            this.size++;
        }

        public E remove(int index) {
            if (index < 0 || index >= this.size)
                throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
            if (ArrayList.this.modCount != this.modCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
            E result = parent.remove(parentOffset + index);
            this.modCount = parent.modCount;
            this.size--;
            return result;
        }

        ...

        public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
            return addAll(this.size, c);
        }

        public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
            if (index < 0 || index > this.size)
                throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
            int cSize = c.size();
            if (cSize==0)
                return false;

            if (ArrayList.this.modCount != this.modCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
            parent.addAll(parentOffset + index, c);
            this.modCount = parent.modCount;
            this.size += cSize;
            return true;
        }
    
        ...
    }

SubList 构造方法需要一个父列表。在获取、添加、删除元素的方法中实际上都是调用父列表中的方法。

不过这些操作的方法中会判断 modCount 的值是否已经变化，如果异常改变了，那么就会抛出 ConcurrentModificationException 异常。

forEach(Consumer<? super E> action)

遍历列表元素

public void forEach(Consumer<? super E> action) {
    Objects.requireNonNull(action);
    final int expectedModCount = modCount;
    @SuppressWarnings("unchecked")
    final E[] elementData = (E[]) this.elementData;
    final int size = this.size;
    for (int i=0; modCount == expectedModCount && i < size; i++) {
        action.accept(elementData[i]);
    }
    // Android-note:
    // Iterator will not throw a CME if we add something while iterating over the *last* element
    // forEach will throw a CME in this case.
    if (modCount != expectedModCount) {
        throw new ConcurrentModificationException();
    }
}

同样地，此方法中如果 modCount 被异常修改了（例如在其他线程中执行了 add 方法）那么就会抛出 ConcurrentModificationException 异常。

iterator()

获取遍历器

public Iterator<E> iterator() {
    return new Itr();
}

Itr 是一个内部类，实现了 Iterator 接口。

private class Itr implements Iterator<E> {
    // Android-changed: Add "limit" field to detect end of iteration.
    // The "limit" of this iterator. This is the size of the list at the time the
    // iterator was created. Adding & removing elements will invalidate the iteration
    // anyway (and cause next() to throw) so saving this value will guarantee that the
    // value of hasNext() remains stable and won't flap between true and false when elements
    // are added and removed from the list.
    protected int limit = ArrayList.this.size;

    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 < limit;
    }

    @SuppressWarnings("unchecked")
    public E next() {
        if (modCount != expectedModCount)
            throw new ConcurrentModificationException();
        int i = cursor;
        if (i >= limit)
            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();
        if (modCount != expectedModCount)
            throw new ConcurrentModificationException();

        try {
            ArrayList.this.remove(lastRet);
            cursor = lastRet;
            lastRet = -1;
            expectedModCount = modCount;
            limit--;
        } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
            throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }

    ...
}

该类中 cursor 属性记录了当前迭代的位置，每调用一次 next 方法都会加 1，lastRet 则记录了上一次的元素位置。

remove 方法则是通过调用外部类的 remove 方法来实现的。

以上两个方法中也需要注意 ConcurrentModificationException 异常的发生。

contains(Object o)

检测是否包含元素

public boolean contains(Object o) {
    return indexOf(o) >= 0;
}

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;
}

可以看出要检测一个元素是否在列表中，是通过遍历来实现的。

System.arraycopy
public static native void arraycopy(Object src,  int  srcPos, Object dest, int destPos,int length);

这是数组拷贝函数，是 native 函数，它经过虚拟机优化的，效率比较高。在 ArrayList 中移动元素就是通过这个方法。

Arrays.copyOf
public static <T> T[] copyOf(T[] original, int newLength) {
    return (T[]) copyOf(original, newLength, original.getClass());
}

public static <T,U> T[] copyOf(U[] original, int newLength, Class<? extends T[]> newType) {
    @SuppressWarnings("unchecked")
    T[] copy = ((Object)newType == (Object)Object[].class) ? (T[]) new Object[newLength] : (T[]) Array.newInstance(newType.getComponentType(), newLength);
    System.arraycopy(original, 0, copy, 0, Math.min(original.length, newLength));
    return copy;
}

可以看出 copyOf 函数最终调用的是 System.arraycopy 方法。本文中 grow 方法就是调用 copyOf 来实现扩容的。

0x02 总结

  • ArrayList 是基于数组实现的线性表，它支持自动扩容，每次增加原来容量的1.5倍。
  • 通过下标获取元素操作效率高，而删除和插入操作则需要移动元素，效率不高。
  • remove 函数通过对象删除元素时需要遍历列表，而通过下标 index 删除元素比通过对象删除元素的效率要高。
  • containts 与 clear方法需要遍历。
  • subList 获取到子列表，对子列表的修改同样也会修改父列表。
  • ArrayList 没有同步锁，在多线程操作时需要注意 ConcurrentModificationException 异常。
  • 如果在同一线程中对 ArrayList 操作时引起 modCount 异常改变时，也要注意 ConcurrentModificationException ，这时候要检查代码逻辑问题。
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