jdk源码解析--集合类

最近在整理JAVA 基础知识，从jdk源码入手，今天就jdk中 java.util包下集合类进行理解

先看图

从类图结构可以了解 java.util包下的2个大类：

　　1、Collecton：可以理解为主要存放的是单个对象

　　2、Map：可以理解为主要存储key-value类型的对象

一、Collection

　　Collection继承了Iterate接口，Iterate用于集合内迭代器抽象接口，其子类均实现接口中方法，看下ArrayList下实现：

 1  /**
 2      * Returns an iterator over the elements in this list in proper sequence.
 3      *
 4      * 
The returned iterator is fail-fast.
 5      *
 6      * @return an iterator over the elements in this list in proper sequence
 7      */
 8     public Iterator iterator() {
 9         return new Itr(); // 返回内部类实例
10     }
11 
12     /**
13      * An optimized version of AbstractList.Itr
14      */
15     private class Itr implements Iterator {
16         int cursor;       // index of next element to return 指向下一个位置索引id
17         int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such 指向上一个位置索引id
18         int expectedModCount = modCount;
19 
20         public boolean hasNext() {
21             return cursor != size;
22         }
23 
24         @SuppressWarnings("unchecked")
25         public E next() {
26             checkForComodification();
27             int i = cursor;
28             if (i >= size)
29                 throw new NoSuchElementException();
30             Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
31             if (i >= elementData.length)
32                 throw new ConcurrentModificationException();
33             cursor = i + 1;
34             return (E) elementData[lastRet = i];
35         }
36 
37         public void remove() {
38             if (lastRet < 0)
39                 throw new IllegalStateException();
40             checkForComodification();
41 
42             try {
43                 ArrayList.this.remove(lastRet);
44                 cursor = lastRet;
45                 lastRet = -1;
46                 expectedModCount = modCount;
47             } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
48                 throw new ConcurrentModificationException();
49             }
50         }
51 
52         @Override
53         @SuppressWarnings("unchecked")
54         public void forEachRemaining(Consumersuper E> consumer) {
55             Objects.requireNonNull(consumer);
56             final int size = ArrayList.this.size;
57             int i = cursor;
58             if (i >= size) {
59                 return;
60             }
61             final Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
62             if (i >= elementData.length) {
63                 throw new ConcurrentModificationException();
64             }
65             while (i != size && modCount == expectedModCount) {
66                 consumer.accept((E) elementData[i++]);
67             }
68             // update once at end of iteration to reduce heap write traffic
69             cursor = i;
70             lastRet = i - 1;
71             checkForComodification();
72         }
73 
74         final void checkForComodification() {
75             if (modCount != expectedModCount)
76                 throw new ConcurrentModificationException();
77         }
78     }

1、List

　　特点：有序结果、顺序遍历、索引、允许有重复值

　　(1) ArrayList 

　　　　以上特点实现：

transient Object[] elementData; // List内部存储对象数组结果

public boolean add(E e) {
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        elementData[size++] = e;
        return true;
}
// 添加对象时先识别是否越界，没有越界则数组对象当前索引值的下一个添   
// 添加对象时，不识别重复，所以有序允许重复值

/**
 * Removes all of the elements from this list.  The list will
 * be empty after this call returns.
 */
public void clear() {
    modCount++;

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

    size = 0;
}
// 清空List时顺序遍历值置为null

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

　　return elementData(index);
}

E elementData(int index) {
　　return (E) elementData[index];
}

其中 remove方法 ：

  public E remove(int index) { // 按索引删除对象
         rangeCheck(index); // 校验输入索引id是否越界，若越界则抛出运行时异常 IndexOutOfBoundsException
 
         modCount++;
         E oldValue = elementData(index);
 
         int numMoved = size - index - 1; // 定位到索引的下一位
         if (numMoved > 0)
             System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                              numMoved); //调用native方法实现数组位置左移
         elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
 　　　　 // 末尾元素置空
         return oldValue;
     }


 public boolean remove(Object o) {// 按对象删除
        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])) { // 识别对象相等使用equals方法，使用时注意重写equals方法
                    fastRemove(index);
                    return true;
                }
        }
        return false;
    }

    /*
     * Private remove method that skips bounds checking and does not
     * return the value removed.
     */
    private void fastRemove(int index) {
        modCount++; // 删除元素时，modCount值变更
        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
    }

可以看到ArrayList中对数组进行，操作时常用到System.arraycopy

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

 还有在 java.util.Arrays下数组copy方法，最终也是调用System.arraycopy方法

 1 public static  T[] copyOf(T[] original, int newLength) {
 2         return (T[]) copyOf(original, newLength, original.getClass());
 3     }
 4 
 5 public static  T[] copyOf(U[] original, int newLength, Classextends T[]> newType) {
 6         @SuppressWarnings("unchecked")
 7         T[] copy = ((Object)newType == (Object)Object[].class)
 8             ? (T[]) new Object[newLength]
 9             : (T[]) Array.newInstance(newType.getComponentType(), newLength);
10         System.arraycopy(original, 0, copy, 0,
11                          Math.min(original.length, newLength));
12         return copy;
13     }

示例：

  View Code

 

可以看到出现异常：ConcurrentModificationException，出现该异常原因是： 

“快速失败”也就是fail-fast，它是Java集合的一种错误检测机制。当创建Iterator后，在Iterator使用还没有结束时，改变（删除或增添新项）集合元素就会出现上面的错误

看看ArrayList的排序方法：sort(Comparator c)

 1  public void sort(Comparatorsuper E> c) {
 2         final int expectedModCount = modCount;
 3         Arrays.sort((E[]) elementData, 0, size, c);
 4         if (modCount != expectedModCount) {
 5             throw new ConcurrentModificationException();
 6         }
 7         modCount++;
 8     }
 9 
10 public static  void sort(T[] a, int fromIndex, int toIndex,
11                                 Comparatorsuper T> c) {
12         if (c == null) {
13             sort(a, fromIndex, toIndex);
14         } else {
15             rangeCheck(a.length, fromIndex, toIndex);
16             if (LegacyMergeSort.userRequested)
17                 legacyMergeSort(a, fromIndex, toIndex, c);
18             else
19                 TimSort.sort(a, fromIndex, toIndex, c, null, 0, 0);
20         }
21     }

 示例：

  View Code

　　(2)LinkedList

 1 public class LinkedList
 2     extends AbstractSequentialList
 3     implements List, Deque, Cloneable, java.io.Serializable
 4   // 实现了Deque接口，可以做队列使用
 5 
 6  /**
 7      * Pointer to first node.
 8      * Invariant: (first == null && last == null) ||
 9      *            (first.prev == null && first.item != null)
10      */
11     transient Node first;
12 
13     /**
14      * Pointer to last node.
15      * Invariant: (first == null && last == null) ||
16      *            (last.next == null && last.item != null)
17      */
18     transient Node last;
19 
20     /**
21      * Constructs an empty list.
22      */
23     public LinkedList() {
24     }
25  
26     // 集合对象存储结构，通过当前节点的前后节点，维护顺序集合（双向链表结构）
27     private static class Node {
28         E item;
29         Node next;
30         Node prev;
31 
32         Node(Node prev, E element, Node next) {
33             this.item = element;
34             this.next = next;
35             this.prev = prev;
36         }
37     }

以上为 LinkedList的内部存储结构，以Node存储。

在看下集合元素插入、删除及获取方法实现：

 1     public boolean add(E e) {
 2         linkLast(e);
 3         return true;
 4     }
 5 
 6     /**
 7      * Links e as last element.
 8      */
 9     void linkLast(E e) {
10         final Node l = last; // 保存最后个节点
11         final Node newNode = new Node<>(l, e, null);// 新增节点
12         last = newNode; // 将新节点置为最后节点
13         if (l == null)
14             first = newNode;
15         else
16             l.next = newNode;
17         size++;
18         modCount++;
19     }
20 
21      public E remove() {
22         return removeFirst(); // 去掉首节点
23     }
24 
25     public E removeFirst() {
26         final Node f = first;
27         if (f == null)
28             throw new NoSuchElementException();
29         return unlinkFirst(f);
30     }
31 
32     private E unlinkFirst(Node f) {
33         // assert f == first && f != null;
34         final E element = f.item;
35         final Node next = f.next;
36         f.item = null;
37         f.next = null; // help GC
38         first = next;
39         if (next == null)
40             last = null;
41         else
42             next.prev = null;
43         size--;
44         modCount++;
45         return element;
46     }
47 
48     // 入栈方法
49     public void push(E e) {
50         addFirst(e);
51     }
52     // 出栈方法
53     public E pop() {
54         return removeFirst();
55     }
56 
57     // 入队
58     public boolean offer(E e) {
59         return add(e);
60     }
61     public boolean add(E e) {
62         linkLast(e);
63         return true;
64     }
65     // 出队
66     public E poll() {
67         final Node f = first;
68         return (f == null) ? null : unlinkFirst(f);
69     }
70 
71     //随机访问集合对象
72      public E get(int index) {
73         checkElementIndex(index);
74         return node(index).item;
75     }
76     
77     /**
78      * Returns the (non-null) Node at the specified element index.
79      */
80     Node node(int index) {
81         // assert isElementIndex(index);
82         // 识别 index id离首节点近还是尾节点近，减少遍历  
83         if (index < (size >> 1)) {
84             Node x = first;
85             for (int i = 0; i < index; i++) // 0(i)
86                 x = x.next;
87             return x;
88         } else {
89             Node x = last;
90             for (int i = size - 1; i > index; i--) // 0(i)
91                 x = x.prev;
92             return x;
93         }
94     }

通过以上源码理解 ArrayList 和 LinkedList 区别类似数据结构中 数组及链表结构区别 ，新增、删除 和 随机访问存在 效率上的差别：

ArrayList是最常用的集合，其内部实现是一个数组，ArrayList的大小是可以动态扩充的。对于元素的随机访问效率高，其访问的时间复杂度为O(1)，对于数据的插入与删除，从尾部操作效率高，时间复杂度和随机访问一样是O(1)，若是从头部操作则效率会比较低，因为从头部插入或删除时需要移动后面所有元素，其时间复杂度为O(n-i)(n表示元素个数，i表示元素位置)

LinkList对于随机访问效率是比较低的，因为它需要从头开始索引，所以其时间复杂度为O(i)。但是对于元素的增删，LinkList效率高，因为只需要修改前后指针即可，其时间复杂度为O(1)。

　　（3）Vector

　　　　与ArrayList类型，内部也是使用数据来存储对象，但是线程安全的，因为实现方法重写的时候，全部加上了同步关键字：synchronized；（一般不建议使用，性能消耗）

　　（4）Stack

public
class Stack extends Vector {
    /**
     * Creates an empty Stack.
     */
    public Stack() {
    }

　　2、Queue

　　遵循FIFO（先入先出规则），内部出栈入栈方法，主要区别在于是否是阻塞入队或出队

　　3、Set　

public class HashSet
    extends AbstractSet
    implements Set, Cloneable, java.io.Serializable

/**
     * Constructs a new, empty set; the backing HashMap instance has
     * default initial capacity (16) and load factor (0.75).
     */
    public HashSet() {
        map = new HashMap<>();
    }

// Set 集合对象存储在 Map的 key中
 public boolean contains(Object o) {
        return map.containsKey(o);
    }

// 添加对象到Set集合中
 public boolean add(E e) {
        return map.put(e, PRESENT)==null;
    }
// 删除Set集合中对象
 public boolean remove(Object o) {
        return map.remove(o)==PRESENT;
    }

实际Set集合的实现依赖于Map的实现，通过Map的 key值唯一性来实现

二、Map

　　1、HashMap：基于Map接口实现、允许null 键值、无序、非同步

　　一起看下HashMap的实现

// map 内部对象链表存储结构
static class Node implements Map.Entry {
        final int hash;
        final K key;
        V value;
        Node next; // 下一节点

        Node(int hash, K key, V value, Node next) {
            this.hash = hash;
            this.key = key;
            this.value = value;
            this.next = next;
        }

        public final K getKey()        { return key; }
        public final V getValue()      { return value; }
        public final String toString() { return key + "=" + value; }
        // 重写hashCode方法
        public final int hashCode() {
            return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
        }

        public final V setValue(V newValue) {
            V oldValue = value;
            value = newValue;
            return oldValue;
        }
        // 重写 equals方法
        public final boolean equals(Object o) {
            if (o == this)
                return true;
            if (o instanceof Map.Entry) {
                Map.Entry e = (Map.Entry)o;
                if (Objects.equals(key, e.getKey()) &&
                    Objects.equals(value, e.getValue()))
                    return true;
            }
            return false;
        }
    }

transient Node[] table; // 用数组保存多条链表的首节点

// 获取 key所对应的存储JNode的 value值
public V get(Object key) {
        Node e;
        return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
    }
// 识别是否存在key所对应的 Node
 public boolean containsKey(Object key) {
        return getNode(hash(key), key) != null;
    }

// map 内部对象链表存储结构
static class Node implements Map.Entry {
        final int hash;
        final K key;
        V value;
        Node next; // 下一节点

        Node(int hash, K key, V value, Node next) {
            this.hash = hash;
            this.key = key;
            this.value = value;
            this.next = next;
        }

        public final K getKey()        { return key; }
        public final V getValue()      { return value; }
        public final String toString() { return key + "=" + value; }
        // 重写hashCode方法
        public final int hashCode() {
            return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
        }

        public final V setValue(V newValue) {
            V oldValue = value;
            value = newValue;
            return oldValue;
        }
        // 重写 equals方法
        public final boolean equals(Object o) {
            if (o == this)
                return true;
            if (o instanceof Map.Entry) {
                Map.Entry e = (Map.Entry)o;
                if (Objects.equals(key, e.getKey()) &&
                    Objects.equals(value, e.getValue()))
                    return true;
            }
            return false;
        }
    }

transient Node[] table; // 用数组保存多条链表的首节点

// 获取 key所对应的存储JNode的 value值
public V get(Object key) {
        Node e;
        return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
    }
// 识别是否存在key所对应的 Node
 public boolean containsKey(Object key) {
        return getNode(hash(key), key) != null;
    }

// 插入 对象
public V put(K key, V value) {
        return putVal(hash(key), key, value, false, true);
    }

// 调用的内部方法，
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        // tab 为map内首节点集合
        Node[] tab; Node p; int n, i;
        // 先识别table是否为空，为空则初始化，hashmap内存存储延迟加载在这里体现
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
        // 通过hash值以长度做按位与，识别读取元素的存储在tab中的位置
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            // 若tab所在链表首节点为空，则直接构造新节点
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {
            // tab所在链表首节点不为空，则遍历p所在链表或红黑树，找到可以存储的位置
            Node e; K k;
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
            else if (p instanceof TreeNode)
                e = ((TreeNode)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) {
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                }
            }
            if (e != null) { // existing mapping for key
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }
        ++modCount;
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }                

可以看到，在HashMap中存储的结构下， Node类型的数组保存头部节点（单链表）或根节点（红黑树），先以 Node的key的hash值与数组长度做位与运算（hash碰撞），初始

时使用单链表存储新插入对象（newNode），当链表长度超过8时，会将链表结构转为红黑树结构存储（treeifyBin方法）

final void treeifyBin(Node[] tab, int hash) {
        int n, index; Node e;
        if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
            resize();
        else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
        // 找到需要转换的 单链表 e，遍历单链表，转换为TreeNode,保存前后节点关系
        TreeNode hd = null, tl = null;
            do {
                TreeNode p = replacementTreeNode(e, null);
                if (tl == null)
                    hd = p;
                else {
                    p.prev = tl;
                    tl.next = p;
                }
                tl = p;
            } while ((e = e.next) != null);
            //让桶的第一个元素指向新建的红黑树头结点，以后这个桶里的元素就是红黑树而不是链表了
            if ((tab[index] = hd) != null)
                hd.treeify(tab);
        }
    }    

先将单链表转换为 treenode，在调用 treeify方法构造红黑树

　　2、LinkedHashMap

　　　继承HashMap，HashMap是无序集合，而LinkedHashMap为有序集合

public class LinkedHashMap
    extends HashMap
    implements Map

　构造LinkedHashMap.EntreyNode 继承 HashMap.Node 实现双向链表

static class Entry extends HashMap.Node {
        Entry before, after; // before 保存前置节点，after保存后置节点
        Entry(int hash, K key, V value, Node next) {
            super(hash, key, value, next);
        }
    }

 /**
     * The head (eldest) of the doubly linked list.
     */
    transient LinkedHashMap.Entry head; // 头节点

    /**
     * The tail (youngest) of the doubly linked list.
     */
    transient LinkedHashMap.Entry tail;  // 尾部节点


// 重写HashMap的 创建新节点方法
 Node newNode(int hash, K key, V value, Node e) {
        LinkedHashMap.Entry p =
            new LinkedHashMap.Entry(hash, key, value, e);
        linkNodeLast(p); // 将新节点放到尾部节点，从而保证顺序
        return p;
    }

// link at the end of list
    private void linkNodeLast(LinkedHashMap.Entry p) {
        LinkedHashMap.Entry last = tail;
        tail = p;
        if (last == null)
            head = p;
        else {
            p.before = last;
            last.after = p;
        }
    }

　　3、TreeMap

　　TreeMap直接使用红黑树结构存储集合元素，根据键 做排序，排序规则按内部 comparator 对象的实例对象的排序规则，若comparator为空，则按自然排序

 1 public class TreeMap
 2     extends AbstractMap
 3     implements NavigableMap, Cloneable, java.io.Serializable
 4 {
 5     /**
 6      * The comparator used to maintain order in this tree map, or
 7      * null if it uses the natural ordering of its keys.
 8      *
 9      * @serial
10      */
11     private final Comparatorsuper K> comparator; // 对象比较接口
12 
13     private transient Entry root;  // 根节点

root的实现逻辑为 TreeMap.Entrey 继承 Map.Entrey 实现 ，与HashMap.TreeNode实现类似

static final class Entry implements Map.Entry {
        K key;
        V value;
        Entry left;
        Entry right;
        Entry parent;
        boolean color = BLACK;

所以TreeMap put和get方法就是以键先进行红黑树的查找后操作

　　4、HashTable

　　HashTable和HashMap数据结构类似，主要区别为HashTable中操作集合元素对象的方法都加上了 同步关键字(synchronized), 所以说线程安全的及集合

 

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