关于 JDK 的集合类的整体介绍可以看下图。本篇博客我们不系统的介绍整个集合的构造,重点是介绍 ArrayList 类是如何实现的
ArrayList 是一个用数组实现的集合,支持随机访问,元素有序且可以重复。
public class ArrayListextends AbstractList implements List , RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
这是一个标记接口,一般此标记接口用于 List
实现,以表明它们支持快速(通常是恒定时间)的随机访问。该接口的主要目的是允许通用算法改变其行为,以便在应用于随机或顺序访问列表时提供良好的性能。
比如在工具类 Collections(这个工具类后面会详细讲解)中,应用二分查找方法时判断是否实现了 RandomAccess 接口:
int binarySearch(List> list, T key) { if (list instanceof RandomAccess || list.size()1.2 实现实现 Cloneable 接口
这个类是 java.lang.Cloneable,我们学习Java[深拷贝和浅拷贝的原理时,知道浅拷贝可以通过调用 Object.clone() 方法来实现,但是调用该方法的对象必须要实现 Cloneable 接口,否则会抛出 CloneNoSupportException
异常。
Cloneable 和 RandomAccess 接口一样也是一个标记接口,接口内无任何方法体和常量的声明,也就是说如果想克隆对象,必须要实现 Cloneable 接口,表明该类是可以被克隆的。
1.3 实现 Serializable 接口
这个没什么好说的,也是标记接口,表示能被序列化。
1.4 实现 List 接口
这个接口是 List 类集合的上层接口,定义了实现该接口的类都必须要实现的一组方法,如下所示,下面我们会对这一系列方法的实现做详细介绍。
2 字段属性
//集合的默认大小 private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10; //空的数组实例 private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {}; //这也是一个空的数组实例,和EMPTY_ELEMENTDATA空数组相比是用于了解添加元素时数组膨胀多少 private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {}; //存储 ArrayList集合的元素,集合的长度即这个数组的长度 //1、当 elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 时将会清空 ArrayList //2、当添加第一个元素时,elementData 长度会扩展为 DEFAULT_CAPACITY=10 transient Object[] elementData; //表示集合的长度 private int size;3 构造函数
public ArrayList() { this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA; }此无参构造函数将创建一个 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 声明的数组,注意此时初始容量是0,而不是大家以为的 10。
注意:根据默认构造函数创建的集合,ArrayList list = new ArrayList();此时集合长度是0.
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); } }初始化集合大小创建 ArrayList 集合。当大于0时,给定多少那就创建多大的数组;当等于0时,创建一个空数组;当小于0时,抛出异常。
public ArrayList(Collection 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; } }这是将已有的集合复制到 ArrayLis
4 添加元素
通过前面的字段属性和构造函数,我们知道 ArrayList 集合是由数组构成的,那么向 ArrayList 中添加元素,也就是向数组赋值。我们知道一个数组的声明是能确定大小的,而使用 ArrayList 时,好像是能添加任意多个元素,这就涉及到数组的扩容。
扩容的核心方法就是调用Arrays.copyOf 方法,创建一个更大的数组,然后将原数组元素拷贝过去即可。下面我们看看具体实现:
public boolean add(E e) { ensureCapacityInternal(size + 1); //添加元素之前,首先要确定集合的大小 elementData[size++] = e; return true; }如上所示,在通过调用 add 方法添加元素之前,我们要首先调用 ensureCapacityInternal 方法来确定集合的大小,如果集合满了,则要进行扩容操作。
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {//这里的minCapacity 是集合当前大小+1 //elementData 是实际用来存储元素的数组,注意数组的大小和集合的大小不是相等的,前面的size是指集合大小 ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity)); } private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) { if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {//如果数组为空,则从size+1的值和默认值10中取最大的 return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity); } return minCapacity;//不为空,则返回size+1 } private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) { modCount++; // overflow-conscious code if (minCapacity - elementData.length > 0) grow(minCapacity); }在 ensureExplicitCapacity 方法中,首先对修改次数modCount加一,这里的modCount给ArrayList的迭代器使用的,在并发操作被修改时,提供快速失败行为(保证modCount在迭代期间不变,否则抛出ConcurrentModificationException异常,可以查看源码865行,接着判断minCapacity是否大于当前ArrayList内部数组长度,大于的话调用grow方法对内部数组elementData扩容,grow方法代码如下:
private void grow(int minCapacity) { int oldCapacity = elementData.length;//得到原始数组的长度 int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);//新数组的长度等于原数组长度的1.5倍 if (newCapacity - minCapacity < 0)//当新数组长度仍然比minCapacity小,则为保证最小长度,新数组等于minCapacity newCapacity = minCapacity; //MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8 = 2147483639 if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)//当得到的新数组长度比 MAX_ARRAY_SIZE 大时,调用 hugeCapacity 处理大数组 newCapacity = hugeCapacity(minCapacity); //调用 Arrays.copyOf 将原数组拷贝到一个大小为newCapacity的新数组(注意是拷贝引用) elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); } private static int hugeCapacity(int minCapacity) { if (minCapacity < 0) // throw new OutOfMemoryError(); return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ? //minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE,则新数组大小为Integer.MAX_VALUE Integer.MAX_VALUE : MAX_ARRAY_SIZE; }对于 ArrayList 集合添加元素,我们总结一下:
①、当通过 ArrayList() 构造一个空集合,初始长度是为0的,第 1 次添加元素,会创建一个长度为10的数组,并将该元素赋值到数组的第一个位置。
②、第 2 次添加元素,集合不为空,而且由于集合的长度size+1是小于数组的长度10,所以直接添加元素到数组的第二个位置,不用扩容。
③、第 11 次添加元素,此时 size+1 = 11,而数组长度是10,这时候创建一个长度为10+10*0.5 = 15 的数组(扩容1.5倍),然后将原数组元素引用拷贝到新数组。并将第 11 次添加的元素赋值到新数组下标为10的位置。
④、第 Integer.MAX_VALUE - 8 = 2147483639,然后 2147483639%1.5=1431655759(这个数是要进行扩容) 次添加元素,为了防止溢出,此时会直接创建一个 1431655759+1 大小的数组,这样一直,每次添加一个元素,都只扩大一个范围。
⑤、第 Integer.MAX_VALUE - 7 次添加元素时,创建一个大小为 Integer.MAX_VALUE 的数组,在进行元素添加。
⑥、第 Integer.MAX_VALUE + 1 次添加元素时,抛出 OutOfMemoryError 异常。
注意:能向集合中添加 null 的,因为数组可以有 null 值存在。
5 删除元素
5.1 根据索引删除元素
public E remove(int index) { rangeCheck(index); modCount++; E oldValue = 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; }remove(int index) 方法表示删除索引index处的元素,首先通过 rangeCheck(index) 方法判断给定索引的范围,超过集合大小则抛出异常;接着通过 System.arraycopy 方法对数组进行自身拷贝。
5.2 直接删除指定元素
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; }remove(Object o)方法是删除第一次出现的该元素。然后通过System.arraycopy进行数组自身拷贝
6 修改元素
通过调用 set(int index, E element) 方法在指定索引 index 处的元素替换为 element。并返回原数组的元素。
public E set(int index, E element) { rangeCheck(index);//检查索引是否合法 E oldValue = elementData(index);//获得原数组指定索引的元素 elementData[index] = element;//将指定所引处的元素替换为 element return oldValue;//返回原数组索引元素 }7 查找元素
7.1 根据索引查找元素
public E get(int index) { rangeCheck(index); return elementData(index); }同理,首先还是判断给定索引的合理性,然后直接返回处于该下标位置的数组元素。
7.2 根据元素查找索引
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; }注意:indexOf(Object o) 方法是返回第一次出现该元素的下标,如果没有则返回 -1。
还有 lastIndexOf(Object o) 方法是返回最后一次出现该元素的下标。
public int lastIndexOf(Object o) { if (o == null) { for (int i = size-1; i >= 0; i--) if (elementData[i]==null) return i; } else { for (int i = size-1; i >= 0; i--) if (o.equals(elementData[i])) return i; } return -1; }8 遍历集合
8.1 普通 for 循环遍历
前面我们介绍查找元素时,知道可以通过get(int index)方法,根据索引查找元素,那么遍历同理:
ArrayList list = new ArrayList(); list.add("a"); list.add("b"); list.add("c"); for(int i = 0 ; i < list.size() ; i++){ System.out.print(list.get(i)+" "); }8.2 迭代器 iterator
先看看具体用法:
ArrayListlist = new ArrayList<>(); list.add("a"); list.add("b"); list.add("c"); Iterator it = list.iterator(); while(it.hasNext()){ String str = it.next(); System.out.print(str+" "); } 在介绍 ArrayList 时,我们知道该类实现了 List 接口,而 List 接口又继承了 Collection 接口,Collection 接口又继承了 Iterable 接口,该接口有个 Iterator
iterator() 方法,能获取 Iterator 对象,能用该对象进行集合遍历,为什么能用该对象进行集合遍历?我们再看看 ArrayList 类中的该方法实现: public Iteratoriterator() { return new Itr(); } 该方法是返回一个 Itr 对象,这个类是 ArrayList 的内部类。
private class Itr implements Iterator{ int cursor; //游标, 下一个要返回的元素的索引 int lastRet = -1; // 返回最后一个元素的索引; 如果没有这样的话返回-1. int expectedModCount = modCount; Itr() {} //通过 cursor != size 判断是否还有下一个元素 public boolean hasNext() { return cursor != size; } @SuppressWarnings("unchecked") public E next() { checkForComodification();//迭代器进行元素迭代时同时进行增加和删除操作,会抛出异常 int i = cursor; if (i >= size) throw new NoSuchElementException(); Object[] elementData = ArrayList.this.elementData; if (i >= elementData.length) throw new ConcurrentModificationException(); cursor = i + 1;//游标向后移动一位 return (E) elementData[lastRet = i]; //返回索引为i处的元素,并将 lastRet赋值为i } public void remove() { if (lastRet < 0) throw new IllegalStateException(); checkForComodification(); try { ArrayList.this.remove(lastRet);//调用ArrayList的remove方法删除元素 cursor = lastRet;//游标指向删除元素的位置,本来是lastRet+1的,这里删除一个元素,然后游标就不变了 lastRet = -1;//lastRet恢复默认值-1 expectedModCount = modCount;//expectedModCount值和modCount同步,因为进行add和remove操作,modCount会加1 } catch (IndexOutOfBoundsException ex) { throw new ConcurrentModificationException(); } } @Override @SuppressWarnings("unchecked") public void forEachRemaining(Consumer consumer) {//便于进行forEach循环 Objects.requireNonNull(consumer); final int size = ArrayList.this.size; int i = cursor; if (i >= size) { return; } final Object[] elementData = ArrayList.this.elementData; if (i >= elementData.length) { throw new ConcurrentModificationException(); } while (i != size && modCount == expectedModCount) { consumer.accept((E) elementData[i++]); } // update once at end of iteration to reduce heap write traffic cursor = i; lastRet = i - 1; checkForComodification(); } //前面在新增元素add() 和 删除元素 remove() 时,我们可以看到 modCount++。修改set() 是没有的 //也就是说不能在迭代器进行元素迭代时进行增加和删除操作,否则抛出异常 final void checkForComodification() { if (modCount != expectedModCount) throw new ConcurrentModificationException(); } } 注意在进行 next() 方法调用的时候,会进行 checkForComodification() 调用,该方法表示迭代器进行元素迭代时,如果同时进行增加和删除操作,会抛出 ConcurrentModificationException 异常。比如:
ArrayListlist = new ArrayList<>(); list.add("a"); list.add("b"); list.add("c"); Iterator it = list.iterator(); while(it.hasNext()){ String str = it.next(); System.out.print(str+" "); list.remove(str);//集合遍历时进行删除或者新增操作,都会抛出 ConcurrentModificationException 异常 //list.add(str); //list.set(0, str);//修改操作不会造成异常 }
解决办法是不调用 ArrayList.remove() 方法,转而调用 迭代器的 remove() 方法
ArrayListlist = new ArrayList<>(); list.add("a"); list.add("b"); list.add("c"); Iterator it = list.iterator(); while(it.hasNext()){ String str = it.next(); System.out.print(str+" "); //list.remove(str); //list.add(str); //list.set(0, str);//修改操作不会造成异常 it.remove(); } 8.3 迭代器的变种 forEach
ArrayListlist = new ArrayList<>(); list.add("a"); list.add("b"); list.add("c"); for(String str : list){ System.out.print(str + " "); } 这种语法可以看成是 JDK 的一种语法糖,通过反编译 class 文件,我们可以看到生成的 java 文件,其具体实现还是通过调用 Iterator 迭代器进行遍历的。如下:
ArrayListlist = new ArrayList<>(); list.add("a"); list.add("b"); list.add("c"); String str; for (Iterator iterator1 = list.iterator(); iterator1.hasNext(); System.out.print((new StringBuilder(String.valueOf(str))).append(" ").toString())) str = (String)iterator1.next(); 8.4 迭代器 ListIterator
还是先看看具体用法:
ArrayListlist = new ArrayList<>(); list.add("a"); list.add("b"); list.add("c"); ListIterator listIt = list.listIterator(); //向后遍历 while(listIt.hasNext()){ System.out.print(listIt.next()+" ");//a b c } System.out.println("=============="); //向后前遍历,此时由于上面进行了向后遍历,游标已经指向了最后一个元素,所以此处向前遍历能有值 while(listIt.hasPrevious()){ System.out.print(listIt.previous()+" "); //c b a } 还能一边遍历,一边进行新增或者删除操作:
ArrayListlist = new ArrayList<>(); list.add("a"); list.add("b"); list.add("c"); ListIterator listIt = list.listIterator(); //向后遍历 while(listIt.hasNext()){ System.out.print(listIt.next()+" ");//a b c listIt.add("1");//在每一个元素后面增加一个元素 "1" } System.out.println("####"); //向后前遍历,此时由于上面进行了向后遍历,游标已经指向了最后一个元素,所以此处向前遍历能有值 while(listIt.hasPrevious()){ System.out.print(listIt.previous()+" ");//1 c 1 b 1 a } 也就是说相比于 Iterator 迭代器,这里的 ListIterator 多出了能向前迭代,以及能够新增元素。下面我们看看具体实现:
对于 Iterator 迭代器,我们查看 JDK 源码,发现还有 ListIterator 接口继承了 Iterator:
public interface ListIteratorextends Iterator 该接口有如下方法:
我们看在 ArrayList 类中,有如下方法可以获得 ListIterator 接口:
public ListIteratorlistIterator() { return new ListItr(0); } 这里的 ListItr 也是一个内部类。
//注意 内部类 ListItr 继承了另一个内部类 Itr private class ListItr extends Itr implements ListIterator{ ListItr(int index) {//构造函数,进行游标初始化 super(); cursor = index; } public boolean hasPrevious() {//判断是否有上一个元素 return cursor != 0; } public int nextIndex() {//返回下一个元素的索引 return cursor; } public int previousIndex() {//返回上一个元素的索引 return cursor - 1; } //该方法获取当前索引的上一个元素 @SuppressWarnings("unchecked") public E previous() { checkForComodification();//迭代器进行元素迭代时同时进行增加和删除操作,会抛出异常 int i = cursor - 1; if (i < 0) throw new NoSuchElementException(); Object[] elementData = ArrayList.this.elementData; if (i >= elementData.length) throw new ConcurrentModificationException(); cursor = i;//游标指向上一个元素 return (E) elementData[lastRet = i];//返回上一个元素的值 } public void set(E e) { if (lastRet < 0) throw new IllegalStateException(); checkForComodification(); try { ArrayList.this.set(lastRet, e); } catch (IndexOutOfBoundsException ex) { throw new ConcurrentModificationException(); } } //相比于迭代器 Iterator ,这里多了一个新增操作 public void add(E e) { checkForComodification(); try { int i = cursor; ArrayList.this.add(i, e); cursor = i + 1; lastRet = -1; expectedModCount = modCount; } catch (IndexOutOfBoundsException ex) { throw new ConcurrentModificationException(); } } } 9 SubList
. 在 ArrayList 中有这样一个方法:
public ListsubList(int fromIndex, int toIndex) { subListRangeCheck(fromIndex, toIndex, size); return new SubList(this, 0, fromIndex, toIndex); } 作用是返回从 fromIndex(包括) 开始的下标,到 toIndex(不包括) 结束的下标之间的元素视图。如下:
ArrayListlist = new ArrayList<>(); list.add("a"); list.add("b"); list.add("c"); List subList = list.subList(0, 1); for(String str : subList){ System.out.print(str + " ");//a } 这里出现了 SubList 类,这也是 ArrayList 中的一个内部类。
注意:返回的是原集合的视图,也就是说,如果对 subList 出来的集合进行修改或新增操作,那么原始集合也会发生同样的操作。
ArrayListlist = new ArrayList<>(); list.add("a"); list.add("b"); list.add("c"); List subList = list.subList(0, 1); for(String str : subList){ System.out.print(str + " ");//a } subList.add("d"); System.out.println(subList.size());//2 System.out.println(list.size());//4,原始集合长度也增加了 想要独立出来一个集合,解决办法如下:
ListsubList = new ArrayList<>(list.subList(0, 1)); 10 size()
public int size() { return size; }注意:返回集合的长度,而不是数组的长度,这里的 size 就是定义的全局变量。
11 isEmpty()
public boolean isEmpty() { return size == 0; }返回 size == 0 的结果。
12 trimToSize()
public void trimToSize() { modCount++; if (size < elementData.length) { elementData = (size == 0) ? EMPTY_ELEMENTDATA : Arrays.copyOf(elementData, size); } }该方法用于回收多余的内存。也就是说一旦我们确定集合不在添加多余的元素之后,调用 trimToSize() 方法会将实现集合的数组大小刚好调整为集合元素的大小。
注意:该方法会花时间来复制数组元素,所以应该在确定不会添加元素之后在调用。
参考文档:https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/util/ArrayList.html#