【源码面经】Java源码系列-ArrayList与LinkedList
- ArrayList的大小是如何自动增加的
- 什么情况下你会使用ArrayList？什么时候你会选择LinkedList？
- 如何复制某个ArrayList到另一个ArrayList中去
- 在索引中ArrayList的增加或者删除某个对象的运行过程？效率很低吗？解释一下为什么？
- ArrayList插入删除一定慢么？
- ArrayList的遍历和LinkedList遍历性能比较如何？
- ArrayList是线程安全的么？
- ArrayList如何remove
不想看源码解析的同学，可以直接去最下方查看答案
源码解析
List是最简单的线性数据结构，Java在最上层提供了List接口，然后通过AbstractList实现了List接口。
ArrayList和LinkedList是Java中最常用的List实现类。
ArrayList底层是由数组实现的，相当于动态数组。LinkedList底层相当于链表的实现方式。
下面我们开始分析源码
ArrayList
底层数据结构
/**
* 默认初始化的数组大小
*/
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
/**
* 所有ArrayList实例共享的空list实例
*/
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/**
* 使用DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA与EMPTY_ELEMENTDATA区分，标识
* elementData数组是通过默认构造方法创建的空数组，并且还没有向其中添加
* 元素
*/
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/**
* 底层用来真实存储数据的数组，在调用ArrayList默认构造方法时，该数组会被
* 赋值为DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA。直到第一次向数组中添加元素时，
* 会被扩容为DEFAULT_CAPACITY
*/
transient Object[] elementData;
/**
* 数组中元素的数量
*/
private int size;
/**
* 可以分配的最大数组大小。某些VM在数组中保留一些header words。
* 尝试分配更大的数组可能会导致OutOfMemoryError
*/
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
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构造方法
/**
* 通过给定的初始容量创建一个空list
*/
public ArrayList(int initialCapacity) {
if (initialCapacity > 0) {
// 如果指定的容量大于0，就新建一个数组
this.elementData = new Object[initialCapacity];
} else if (initialCapacity == 0) {
// 如果指定的容量等于0，那么就是一个空数组
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
} else {
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: " +
initialCapacity);
}
}
/**
* 不指定初始容量，创建一个容量为10的空数组
*/
public ArrayList() {
// 使用DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA标识elementData数组
// 是通过默认构造方法创建的，在第一向ArrayList添加元素时，会进行
// 扩容，而扩充的容量为DEFAULT_CAPACITY(10)
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
/**
* 创建一个ArrayList，包含给定集合c中的所有元素，顺序即为c迭代器遍历的顺序。
*
* @throws NullPointerException 如果c为null，抛出NPE
*/
public ArrayList(Collection c) {
elementData = c.toArray();
if ((size = elementData.length) != 0) {
// 如果给定集合c的size不为0
// c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
if (elementData.getClass() != Object[].class)
// c.toArray()并不一定返回Object[]类型，如果返回的不是
// Object[]类型，就调用Arrays的复制方法变为Object类型
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
} else {
// 如果给定集合c的size为0，那么就构造一个空数组
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}
}
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动态扩容
/**
* 修剪elementData多余的槽，使ArrayList的capacity修剪为当前的size
*/
public void trimToSize() {
modCount++;
if (size < elementData.length) {
elementData = (size == 0)
? EMPTY_ELEMENTDATA
: Arrays.copyOf(elementData, size);
}
}
/**
* 增加ArrayList的capacity，确保elementData的容量最少能支持
* minCapacity
*
* @param minCapacity 需要的最小容量
*/
public void ensureCapacity(int minCapacity) {
// 1. 如果ArrayList不是通过默认构造方式构造的，或者
// ArrayList中已经添加过元素了，则minExpand为0，
// 2. 如果ArrayList是通过默认构造方式构造的，且从未
// 添加过任何元素，那么minExpand就为默认的初始化
// 容量DEFAULT_CAPACITY(10)
int minExpand = (elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)
? 0 : DEFAULT_CAPACITY;
if (minCapacity > minExpand) {
// 如果需要扩容
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
}
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
modCount++;
// overflow-conscious code
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}
/**
* @param minCapacity 需要的最小容量
*/
private void grow(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length;
// newCapacity = 1.5 * oldCapacity
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
// 对elementData进行扩容，然后将elementData原有的内容，
// 复制到扩容后的数组中
elementData = Arrays.copyOf(elementData, 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;
}
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插入/替换
/**
* 添加元素e到list尾部
*/
public boolean add(E e) {
// 检查是否需要扩容，并将modCount + 1
ensureCapacityInternal(size + 1);
elementData[size++] = e;
return true;
}
/**
* 在指定index插入元素element，并将原先在index位置及右方元素向右移动一位
*/
public void add(int index, E element) {
// 检查index是否有效
rangeCheckForAdd(index);
// 检查是否需要扩容，并将modCount + 1
ensureCapacityInternal(size + 1);
// 把index及index右面的元素全部向右移动一位
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
size - index);
elementData[index] = element;
size++;
}
/**
* 将给定的集合c中的所有元素按照c迭代器的顺序添加到list的末尾。
*
* 在遍历集合c的过程中，如果对c进行了修改，那么会产生未定义的现象。
*/
public boolean addAll(Collection c) {
Object[] a = c.toArray();
int numNew = a.length;
// 扩容，并修改modCount
ensureCapacityInternal(size + numNew);
// 将数组a复制到数组elementData尾部
System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
size += numNew;
return numNew != 0;
}
/**
* 将给定的集合c中的所有元素按照c迭代器的顺序添加到list的index位置。
* 并把index及index之后的元素的位置向后移动n个位置，n为集合c的大小。
*/
public boolean addAll(int index, Collection c) {
rangeCheckForAdd(index);
Object[] a = c.toArray();
int numNew = a.length;
// 扩容并修改modCount
ensureCapacityInternal(size + numNew);
int numMoved = size - index;
if (numMoved > 0)
// 如果index小于size，即为在之前的元素中间插入，所以要把index及之后的
// 元素向右移动numNew位
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew,
numMoved);
// 将数组a的元素，复制到elementData数组中
System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);
size += numNew;
return numNew != 0;
}
/**
* 用element替换下标为index的元素，并返回之前的元素
*/
public E set(int index, E element) {
// 检查index是否超过限制
rangeCheck(index);
E oldValue = elementData(index);
elementData[index] = element;
return oldValue;
}
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删除
/**
* 删除指定下标的元素，并将该下标右边的元素全部向左移动一位
*/
public E remove(int index) {
rangeCheck(index);
modCount++;
E oldValue = elementData(index);
int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0)
// 将index+1及之后的元素全部向左移动一位
System.arraycopy(elementData, index + 1, elementData, index,
numMoved);
elementData[--size] = null;
return oldValue;
}
/**
* 如果list中包含一个或多个元素o，那么删除第一个o(下标最小的)，并将第一个o对应
* 下标右边的元素全部向左移动一位。
*
* 如果list中不包含元素o，那么不做任何改变
*/
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;
}
/**
* 快速删除index对应的元素，不需要进行范围检查，因为调用该方法时
* 已经可以保证index绝对有效
*/
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
}
/**
* 清空elementData中的所有元素的引用
*/
public void clear() {
modCount++;
// clear to let GC do its work
for (int i = 0; i < size; i++)
// 帮助GC
elementData[i] = null;
size = 0;
}
/**
* 移除下标在 [fromIndex, toIndex) 之间的元素，并将toIndex和之后
* 的元素全部向左移动至fromIndex的位置
*/
protected void removeRange(int fromIndex, int toIndex) {
modCount++;
int numMoved = size - toIndex;
// 将toIndex和之后的元素向左移动至fromIndex的位置
System.arraycopy(elementData, toIndex, elementData, fromIndex,
numMoved);
// 计算新的数组的大小
int newSize = size - (toIndex - fromIndex);
// 将多余的元素引用置为null，帮助GC
for (int i = newSize; i < size; i++) {
elementData[i] = null;
}
size = newSize;
}
/**
* 从list中删除指定集合c中包含的所有元素。
*/
public boolean removeAll(Collection c) {
Objects.requireNonNull(c);
return batchRemove(c, false);
}
/**
* 保留在list中且在指定集合c中包含的所有元素
*/
public boolean retainAll(Collection c) {
Objects.requireNonNull(c);
return batchRemove(c, true);
}
/**
* @param complement false-remove，true-retain
*/
private boolean batchRemove(Collection c, boolean complement) {
final Object[] elementData = this.elementData;
int r = 0, w = 0;
boolean modified = false;
try {
// 双指针遍历list
for (; r < size; r++)
// c.contains(elementData[r])判断给定集合c中是否存
// 在r指针对应的元素。
// 如果complement为false，代表remove集合c中的元素。
// 如果complement为true，代表retain集合c中的元素。
if (c.contains(elementData[r]) == complement)
elementData[w++] = elementData[r];
} finally {
// 如果c.contains抛出异常，仍能保证与AbstractCollection相同的兼容性
if (r != size) {
// 如果r指针没有遍历完数组，就把r指针未遍历的元素，复制到r指针
// 之后，因为r指针-w指针之间的元素应该被移除
System.arraycopy(elementData, r, elementData, w, size - r);
w += size - r;
}
if (w != size) {
// 清空不用的元素引用，帮助GC
for (int i = w; i < size; i++)
elementData[i] = null;
modCount += size - w;
size = w;
modified = true;
}
}
return modified;
}
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遍历
/**
* 返回list中第一次出现给定元素o的下标，如果不存在元素o
* 则返回-1
*/
public int indexOf(Object o) {
// 将o为null和非null的情况分开做处理
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;
}
/**
* 返回list中最后一次出现给定元素o的下标，如果不存在元素o
* 则返回-1
*/
public int lastIndexOf(Object o) {
// 与indexOf实现方式相同，只是把遍历的方向
// 改为从后向前遍历
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;
}
/**
* 返回下标为index的元素
*/
@SuppressWarnings("unchecked")
E elementData(int index) {
return (E) elementData[index];
}
/**
* 返回下标为index的元素
*/
public E get(int index) {
// 检查index是否超过限制
rangeCheck(index);
return elementData(index);
}
@Override
public void forEach(Consumer action) {
Objects.requireNonNull(action);
final int expectedModCount = modCount;
@SuppressWarnings("unchecked") final E[] elementData = (E[]) this.elementData;
final int size = this.size;
// forEach的内部实现其实就是遍历内部elementData数组，
// 然后对每个元素进行action.accept操作。
// 遍历过程中要比较modCount是否发生变化，如果发生了变化，
// 会抛出ConcurrentModificationException，快速失败
for (int i = 0; modCount == expectedModCount && i < size; i++) {
action.accept(elementData[i]);
}
if (modCount != expectedModCount) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
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迭代器
private class Itr implements Iterator{ int cursor; // 下一个要访问的元素的下标 int lastRet = -1; // 上一次访问的元素的下标，如果没有则为-1 int expectedModCount = modCount; // 是否包含下一个元素 public boolean hasNext() { return cursor != size; } @SuppressWarnings("unchecked") public E next() { checkForComodification(); int i = cursor; // 如果要访问的下标大于最大长度，则抛出异常 if (i >= size) throw new NoSuchElementException(); Object[] elementData = ArrayList.this.elementData; if (i >= elementData.length) throw new ConcurrentModificationException(); // cursor后移 cursor = i + 1; // 返回下标为i的元素，并将lastRet置为i return (E) elementData[lastRet = i]; } public void remove() { // 如果上一个访问的元素不存在，则抛出异常 if (lastRet < 0) throw new IllegalStateException(); checkForComodification(); try { // 删除上一个访问的元素 ArrayList.this.remove(lastRet); // 重置下标 cursor = lastRet; // 因为上一个访问的元素已经删除了，所以不存在了 // 要把lastRet置为-1 lastRet = -1; expectedModCount = modCount; } catch (IndexOutOfBoundsException ex) { throw new ConcurrentModificationException(); } } @Override @SuppressWarnings("unchecked") public void forEachRemaining(Consumer consumer) { 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(); } // 防止并发冲突 final void checkForComodification() { if (modCount != expectedModCount) throw new ConcurrentModificationException(); } } /** * 在Iterator的基础上，支持了双向遍历 */ private class ListItr extends Itr implements ListIterator { ListItr(int index) { super(); cursor = index; } public boolean hasPrevious() { return cursor != 0; } public int nextIndex() { return cursor; } public int previousIndex() { return cursor - 1; } /** * 与Iterator的next方法一样，只不过改成了向前遍历 */ @SuppressWarnings("unchecked") public E previous() { checkForComodification(); int i = cursor - 1; if (i < 0) throw new NoSuchElementException(); Object[] elementData = ArrayList.this.elementData; if (i >= elementData.length) throw new ConcurrentModificationException(); cursor = i; return (E) elementData[lastRet = i]; } public void set(E e) { if (lastRet < 0) throw new IllegalStateException(); checkForComodification(); try { ArrayList.this.set(lastRet, e); } catch (IndexOutOfBoundsException ex) { throw new ConcurrentModificationException(); } } public void add(E e) { checkForComodification(); try { int i = cursor; ArrayList.this.add(i, e); cursor = i + 1; // 向list添加元素后，上一次访问的元素就发生了变化， // 所以要将lastRet置为-1 lastRet = -1; expectedModCount = modCount; } catch (IndexOutOfBoundsException ex) { throw new ConcurrentModificationException(); } } } 复制代码
其他
public class ArrayListextends AbstractList implements List , RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable { private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L; /** * 返回ArrayList的浅拷贝 */ 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); } } /** * 以数组的形式返回list中的所有元素 */ public Object[] toArray() { return Arrays.copyOf(elementData, size); } /** * 以数组的形式返回list中的所有元素, 数组的类型为T */ @SuppressWarnings("unchecked") public T[] toArray(T[] a) { if (a.length < size) // Make a new array of a's runtime type, but my contents: return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass()); System.arraycopy(elementData, 0, a, 0, size); if (a.length > size) a[size] = null; return a; } /** * 检查index是否超出限制，需要检查index的原因是当list动态扩容时，会分配出 * 未使用的空间，访问时并不会报错。而size记录了当前真实使用的空间，所以 * 需要将index与size比较。 * * 不检查index为负的情况，因为当index为负时，访问数组会抛出ArrayIndexOutOfBoundsException */ private void rangeCheck(int index) { if (index >= size) throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index)); } /** * add and addAll 时检查是否index是否有效 */ private void rangeCheckForAdd(int index) { // 与rangeCheck版本不同，这里index是可以等于size的，因为size的值 // 就是下一个要插入的下标值，所以index==size就相当于在list尾插入 // // 不知道为什么这里还判断了index < 0 的情况 if (index > size || index < 0) throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index)); } private String outOfBoundsMsg(int index) { return "Index: " + index + ", Size: " + size; } } 复制代码
LinkedList
// 待定 复制代码
面试题解答
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ArrayList的大小是如何自动增加的
当调用ArrayList的add, addAll等方法时，会调用ensureCapacityInternal方法检查底层数组容量是否满足所需容量，如果容量不够大，就调用grow方法将容量扩展至原来的1.5倍(一般情况下)
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什么情况下你会使用ArrayList？什么时候你会选择LinkedList？
待定
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如何复制某个ArrayList到另一个ArrayList中去
public class Node implements Cloneable { public Node() {} public Object clone() { Node node = null; try { node = (Node) super.clone(); } catch (CloneNotSupportedException e) { e.printStackTrace(); } return node; } } public static void main(String[] args) { ArrayListsrcList = new ArrayList<>(); srcList.add(new Node()); srcList.add(new Node()); for (Node node : srcList) { System.out.println("srcList: " + node); } /* --------------------- 浅复制 --------------------- */ System.out.println("浅复制"); // 循环遍历 List destList1 = new ArrayList<>(); srcList.forEach(src -> destList1.add(src)); System.out.println("循环遍历"); for (Node node : destList1) { System.out.println("descList: " + node); } // 构造方法 List destList2 = new ArrayList<>(srcList); System.out.println("构造方法"); for (Node node : destList2) { System.out.println("descList: " + node); } // addAll方法 List destList3 = new ArrayList<>(); destList3.addAll(srcList); System.out.println("addAll方法"); for (Node node : destList3) { System.out.println("descList: " + node); } // clone方法 List destList4 = (List ) srcList.clone(); System.out.println("clone方法"); for (Node node : destList4) { System.out.println("descList: " + node); } // System.arraycopy Node[] destArray = new Node[srcList.size()]; System.arraycopy(srcList.toArray(), 0, destArray, 0, srcList.size()); System.out.println("System.arraycopy方法"); for (Node node : destArray) { System.out.println("descList: " + node); } /* --------------------- 深复制 --------------------- */ System.out.println("深复制"); // 改造后的clone方法 List destList5 = (List ) srcList.clone(); System.out.println("改造后的clone方法"); for (Node node : destList5) { System.out.println("descList: " + node.clone()); } } 复制代码 返回结果
srcList: Node@71bc1ae4 srcList: Node@6ed3ef1 ---------- 浅复制 ---------- 循环遍历 descList: Node@71bc1ae4 descList: Node@6ed3ef1 构造方法 descList: Node@71bc1ae4 descList: Node@6ed3ef1 addAll方法 descList: Node@71bc1ae4 descList: Node@6ed3ef1 clone方法 descList: Node@71bc1ae4 descList: Node@6ed3ef1 System.arraycopy方法 descList: Node@71bc1ae4 descList: Node@6ed3ef1 ---------- 深复制 ---------- 改造后的clone方法 descList: Node@17d99928 descList: Node@3834d63f 复制代码
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ArrayList插入/删除一定慢吗
取决于插入与删除的位置
插入：在插入过程中会将index及之后的元素向后移动，如果插入的位置是数组靠后的位置。那么要移动的元素并不多，通过index直接访问的，操作并不会很慢。
删除：与插入相同，插入过程中会将index及之后的元素向前移动，如果位置靠后，移动的元素也不多。
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ArrayList的遍历和LinkedList遍历性能比较如何？
待定
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ArrayList是线程安全的么？
不是。对ArrayList的操作并没有做任何同步或者加锁的行为。可以看到对ArrayList的结构性操作中，都会对modCount值进行修改。这样在操作时，通过比较modCount可以实现fail-fast机制，在并发冲突时，抛出ConcurrentModificationException
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ArrayList如何remove
public static void main(String[] args) { Listlist = new ArrayList<>(); list.add(1); list.add(1); list.add(2); list.add(2); list.add(3); list.add(3); List list2 = new ArrayList<>(list); for (int i = 0; i < list2.size(); i++) { if ((list2.get(i) % 2) == 0) { list2.remove(i); } } System.out.println(list2); // [1, 1, 2, 3, 3] list2 = new ArrayList<>(list); Iterator iterator = list2.iterator(); while (iterator.hasNext()) { if ((iterator.next() % 2) == 0) { iterator.remove(); } } System.out.println(list2); // [1, 1, 3, 3] list2 = new ArrayList<>(list); for (Integer data : list2) { // ConcurrentModificationException if ((data % 2) == 0) { list2.remove(data); } } System.out.println(list2); } 复制代码 -
通过遍历下标的方式删除(×)：
这种方式是错误的，有可能会遗漏元素。比如数组中的元素为[1, 1, 2, 2, 3, 3]，当下标index为2时，对应的元素为第一个[2]，满足条件删除后，数组中的元素变为[1, 1, 2, 3, 3]，因为[2]被删除后，之后的[2, 3, 3]向左移动。在遍历中，index++ 变为3，对应的元素为[3]，所以数组中第二个[2]被遗漏了，没有遍历到。
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通过迭代器进行迭代(√)：
这种方式是删除的正确方式
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在forEach中进行删除(×)：
这种方式是错误的，会抛出ConcurrentModificationException。原因在于ArrayList中的forEach方法：
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final int expectedModCount = modCount; 在整个遍历之前会先记录modCount。 复制代码
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在调用ArrayList的remove方法时，会通过modCount++对modCount值进行修改， 这时modCount与遍历前记录的modCount已经不一致了。 复制代码
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for (int i = 0; modCount == expectedModCount && i < size; i++) { action.accept(elementData[i]); } 遍历每个元素时，会检查modCount是否与之前一致。而在remove方法中， 已经进行了修改，所以在删除元素后的下次遍历时会退出循环。 复制代码 -
if (modCount != expectedModCount) { throw new ConcurrentModificationException(); } 如果modCount与之前不一致了，就抛出ConcurrentModificationException 复制代码
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