Java集合源码分析(一)——ArrayList源码分析
一、如何看源码：
- 看数据结构：底层数据结构
- 看继承结构：类的层次结构，处于一个什么样的位置
- 看构造方法：看看做了哪些事，跟踪方法里面的方法
- 看常用的方法：与构造方法类型，看看该方法是如何实现的
二、ArrayList源码分析：
1、数据结构：
ArrayList是基于数组，数组元素类型为Object，即可以存放所有类型的数据
2、继承结构：
问题1：为什么要用AbstractList实现List，然后ArrayList继承AbstractList呢
答：由于接口中包含的都是抽象方法（JDK8之前），而抽象类中可以包含抽象方法还可以包含具体实现的方法，所以可以用AbstractList实现List中通用的方法，然后ArrayList实现自己特有的方法，就能让代码更简洁，减少重复代码
问题2：为什么AbstractList实现了List，ArrayList也实现了List，据源码作者说，这其实是一个mistake，因为他写这个代码的时候觉得会有用，实际上没有用，但也没什么影响，就没删除
问题3：ArrayLisr实现了哪些接口：
- List
接口 - RandomAccess接口：这是一个标记性接口，用于快速随机存取，实现了该接口时，表明使用for循环效率更高；而没有实现该接口，则表明用Iterator效率更高
- Cloneable接口：实现了该接口，就可以用Object.clone()方法
- Serializable接口：实现了该接口，表明该类可以被序列化
3、成员变量
private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;
//默认初始容量
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
//空数组对象
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
//缺省空数组对象
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
//数组元素
transient Object[] elementData;
//实际元素大小
private int size;
//Integer.MAX_VALUE = 0x7fffffff，因为有些VMs需要保留一些头信息在一个数组里面，所以-8
//最大数组容量
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;4、构造方法（3个）
- 无参构造方法：将elementData初始化为一个默认容量为10的空数组对象，为什么会是默认容量为10，看newCapacity方法
/**
* Constructs an empty list with an initial capacity of ten.
*/
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}- 指定初始容量的构造方法：将elementData初始化为一个指定容量的数组对象，若指定容量为0，则将elementData初始化为空数组对象（EMPTY_ELEMENTDATA)
/**
* Constructs an empty list with the specified initial capacity.
*
* @param initialCapacity the initial capacity of the list
* @throws IllegalArgumentException if the specified initial capacity
* is negative
*/
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);
}
}- 传入集合的构造方法：
/**
* Constructs a list containing the elements of the specified
* collection, in the order they are returned by the collection's
* iterator.
*
* @param c the collection whose elements are to be placed into this list
* @throws NullPointerException if the specified collection is null
*/
public ArrayList(Collection c) {
elementData = c.toArray();
if ((size = elementData.length) != 0) {
if (elementData.getClass() != Object[].class)
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
} else {
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}
}问题1：为什么要判断"elementData.getClass() != Object[].class"
答：每个集合的toArray()实现方法不一样，所以需要去判断，若不是Object.class()，则需要用ArrayList中方法去改造一下
总结：ArrayList的构造方法其实就是对elementData（存储数据的容器）进行初始化
5、常用方法
- add（）方法（有4个）
//在表尾添加元素
public boolean add(E e){
modCount++;
add(e, elementData, size);
return true;
}//在指定位置添加元素
public void add(int index, E element){
rangeCheckForAdd(index);
modCount++;
final int s;
if((s = size) == (elementData = this.elementData).length)
elementData = grow();
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index+1, size - index);
elementData[index] = element;
size = s + 1;
}
//在末尾增加集合
public boolean addAll(Collection c){
Object[] a = c.toArray();
modCount++;
int numNew = a.length;
if(numNew == 0)
return false;
Object[] elementData;
final int s;
if(numNew > (elementData = this.elementData).length - (s = size))
elementData = grow(numNew + s);
System.copyOf(a, 0, elementData, s, numNew);
return true;
}//在指定位置处添加集合
public boolean addAll(int index, Collection c){
rangeCheckForAdd(index);
Object[] a = c.toArray();
modCount++;
int numNew = a.length;
if(numNew == 0)
return false;
Object[] elementData;
final int s;
if(numNew > (elementData = this.elementData).length - (s = size))
elementData = grow(s + numNew);
int numMoved = s - index;
if(numMoved > 0)
System.copyOf(elementData, index, elementData, index + numMoved, numMoved);
System.copyOf(a, 0, elementData, index, numNew);
size = s + numNew;
return true;
}第一个add方法中调用了ArrayList内部方法：
private void add(E e, Object[] elementData, int s){
if(s == elementData.length)
elementData = grow();
elementData[s] = e;
size = s + 1;
}- 扩容方法
private Object[] grow(int minCapacity) {
return elementData = Arrays.copyOf(elementData,newCapacity(minCapacity));
}newCapacity()：ArrayList核心代码，用于数组扩容
private int newCapacity(int minCapacity) {
int oldCapacity = elementData.length;
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
if (newCapacity - minCapacity <= 0) { //一般是elementData为空数组时才会出现这种情况
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)
return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
if (minCapacity < 0) // 溢出
throw new OutOfMemoryError();
return minCapacity;
}
//超出最大容量限制，则会调用hugeCapacity方法
return (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE <= 0)
? newCapacity
: hugeCapacity(minCapacity);
}hugeCapacity()：用于赋予最大值，当容量超出最大值限制时会调用
private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
if (minCapacity < 0) // 溢出
throw new OutOfMemoryError();
//又比较了一遍，双重保护
return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE)
? Integer.MAX_VALUE
: MAX_ARRAY_SIZE;
}- 删除
remove(int index)：删除指定位置处元素，并返回删除值
public E remove(int index) {
Objects.checkIndex(index, size);
final Object[] es = elementData;
@SuppressWarnings("unchecked") E oldValue = (E) es[index];
fastRemove(es, index);
return oldValue;
}remove(Object o)：删除指定元素
public boolean remove(Object o) {
final Object[] es = elementData;
final int size = this.size;
int i = 0;
found: {
if (o == null) {
for (; i < size; i++)
if (es[i] == null)
break found;
} else {
for (; i < size; i++)
if (o.equals(es[i]))
break found;
}
return false;
}
fastRemove(es, i);
return true;
}fastRemove：移动元素
private void fastRemove(Object[] es, int i) {
modCount++;
final int newSize;
if ((newSize = size - 1) > i)
System.arraycopy(es, i + 1, es, i, newSize - i);
es[size = newSize] = null;
}removeAll(Collection c)：删除与集合c的交集
public boolean removeAll(Collection c) {
return batchRemove(c, false, 0, size);
}retainAll(Collection c)：保留与集合c的交集，即删除不包含在集合c中的元素
public boolean retainAll(Collection c) {
return batchRemove(c, true, 0, size);
}batchRemove()方法：若传入的complement为false，则用于removeAll()，若传入的complement为true，则用于retainAll()
boolean batchRemove(Collection c, boolean complement,
final int from, final int end) {
Objects.requireNonNull(c);
final Object[] es = elementData;
int r; //用来控制循环
for (r = from;; r++) {
if (r == end)
return false;
if (c.contains(es[r]) != complement) //用来寻找第一个等于（或不等于）集合元素
break;
}
int w = r++; //用来记录有多少个
try {
for (Object e; r < end; r++)
if (c.contains(e = es[r]) == complement)
es[w++] = e;
} catch (Throwable ex) {
// Preserve behavioral compatibility with AbstractCollection,
// even if c.contains() throws.
System.arraycopy(es, r, es, w, end - r);
w += end - r;
throw ex;
} finally {
modCount += end - w;
shiftTailOverGap(es, w, end);
}
return true;
}清空
public void clear() {
modCount++;
final Object[] es = elementData;
for (int to = size, i = size = 0; i < to; i++)
es[i] = null;
}- 获取指定元素的索引
public int indexOf(Object o) {
return indexOfRange(o, 0, size);
}
int indexOfRange(Object o, int start, int end) {
Object[] es = elementData;
if (o == null) {
for (int i = start; i < end; i++) {
if (es[i] == null) {
return i;
}
}
} else {
for (int i = start; i < end; i++) {
if (o.equals(es[i])) {
return i;
}
}
}
return -1;
}- 重写hashCode方法
public int hashCode() {
int expectedModCount = modCount;
int hash = hashCodeRange(0, size);
checkForComodification(expectedModCount);
return hash;
}
int hashCodeRange(int from, int to) {
final Object[] es = elementData;
if (to > es.length) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
int hashCode = 1;
for (int i = from; i < to; i++) {
Object e = es[i];
hashCode = 31 * hashCode + (e == null ? 0 : e.hashCode());
}
return hashCode;
}6、总结
- ArrayList可以存放null元素
- ArrayList本质上就是一个Object数组elementData
- ArrayList区别于数组的地方在于能自动扩展大小，实现方法是grow()以及newCapacity()
- arrayList由于本质是数组，所以它在数据的查询方面会很快，而在插入删除这些方面，性能下降很多
- arrayList实现了RandomAccess，所以在遍历它的时候推荐使用for循环。