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Java集合框架之一:ArrayList源码分析原创

8月前
230256

ArrayList底层维护的是一个动态数组,每个ArrayList实例都有一个容量。该容量是指用来存储列表元素的数组的大小。它总是至少等于列表的大小。随着向 ArrayList 中不断添加元素,其容量也自动增长。

ArrayList不是同步的(也就是说不是线程安全的),如果多个线程同时访问一个ArrayList实例,而其中至少一个线程从结构上修改了列表,那么它必须保持外部同步,在多线程环境下,可以使用Collections.synchronizedList方法声明一个线程安全的ArrayList,例如:

List arraylist = Collections.synchronizedList(new ArrayList());

下面通过ArrayList的源码来分析其原理。

1、ArrayList的构造方法:ArrayList提供了三种不同的构造方法

1) ArrayList(),构造一个初始容量为 10 的空列表。

2) ArrayList(int initialCapacity),构造一个具有指定初始容量的空列表。

3) ArrayList(Collection<? extends E> c),构造一个包含指定 collection 的元素的列表,这些元素是按照该 collection 的迭代器返回它们的顺序排列的。

源码如下:

当采用不带参数的构造方法ArrayList()生成一个集合对象时,其实是在底层调用ArrayList(int initialCapacity)这一构造方法生产一个长度为10的Object类型的数组。当采用带有集合类型参数的构造方法时,在底层生成一个包含相同的元素和长度的Object类型的数组。

2、add方法:ArrayList提供了两种添加元素的add方法

1) add(E e),将指定的元素添加到此列表的尾部。

2) add(int index, E e),将指定的元素插入此列表中的指定位置。向右移动当前位于该位置的元素(如果有)以及所有后续元素(将其索引加 1)。

public boolean add(E e) {
    ensureCapacity(size + 1);  // 扩大数组容量
    elementData[size++] = e;   //将元素e添加到下标为size的Object数组中,并且执行size++
    return true;
    }<br>
public void add(int index, E element) {
    if (index > size || index < 0)  //如果指定要插入的数组下标超过数组容量或者指定的下标小于0,抛异常
        throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+", Size: "+size);
 
    ensureCapacity(size+1);  // 扩大数组容量
    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,size - index);  //从指定源数组中复制一个数组,复制从指定的位置开始,到目标数组的指定位置结束。<br>                                                                                    // elementData --- 源数组   index --- 源数组中的起始位置   <br>                                                                                    // elementData --- 目标数组  index+1 ---  目标数组中的起始位置<br>                                                                                    // size - index --- 要复制的数组元素的数量
    elementData[index] = element; //将要添加的元素放到指定的数组下标处
    size++;
    }
public void ensureCapacity(int minCapacity) {
   modCount++;
   int oldCapacity = elementData.length;  //原数组的容量
   if (minCapacity > oldCapacity) {
       Object oldData[] = elementData;
       int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1;  //定义新数组的容量,为原数组容量的1.5倍+1
           if (newCapacity < minCapacity)
       newCapacity = minCapacity;
           // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
           elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);  //复制指定的数组,返回新数组的容量为newCapacity
   }
   }

如果集合中添加的元素超过了10个,那么ArrayList底层会新生成一个数组,长度为原数组的1.5倍+1,并将原数组中的元素copy到新数组中,并且后续添加的元素都会放在新数组中,当新数组的长度无法容纳新添加的元素时,重复该过程。这就是集合添加元素的实现原理。

3、get方法:

  1. get(int index),返回此列表中指定位置上的元素。
public E get(int index) {
    RangeCheck(index); //检查传入的指定下标是否合法
 
    return (E) elementData[index];  //返回数组下标为index的数组元素
    }
 
private void RangeCheck(int index) {
    if (index >= size)  //如果传入的下标大于或等于集合的容量,抛异常
        throw new IndexOutOfBoundsException(
        "Index: "+index+", Size: "+size);
    }

4、remove方法:

1) E remove(int index),移除此列表中指定位置上的元素。向左移动所有后续元素(将其索引减 1)。

2) boolean remove(Object o),移除此列表中首次出现的指定元素(如果存在)。如果列表不包含此元素,则列表不做改动,返回boolean值。

public E remove(int index) {
    RangeCheck(index);  //检查指定的下标是否合法
 
    modCount++;
    E oldValue = (E) elementData[index];  //获取指定下标的数组元素
 
    int numMoved = size - index - 1;  //要移动的元素个数
    if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);  //移动数组元素
    elementData[--size] = null; // Let gc do its work
 
    return oldValue;
    }
 
 public boolean remove(Object o) {
    if (o == null) { //如果传入的参数为null
            for (int index = 0; index < size; index++)
        if (elementData[index] == null) {  //移除首次出现的null
            fastRemove(index);
            return true;
        }
    } else {
        for (int index = 0; index < size; index++)
        if (o.equals(elementData[index])) {
            fastRemove(index);
            return true;
        }
        }
    return false;
    }
 
private void fastRemove(int index) {  //移除指定位置的元素,实现方法类似remove(int i)
        modCount++;
        int numMoved = size - index - 1;
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                             numMoved);
        elementData[--size] = null; // Let gc do its work
    }

5、clone方法:

1) Object clone(),返回此ArrayList实例的浅表副本(不复制这些元素本身) 。

public Object clone() {
   try {
       ArrayList<E> v = (ArrayList<E>) super.clone();  //调用Object类的clone方法返回一个ArrayList对象
       v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);  //复制目标数组
       v.modCount = 0;
       return v;
   } catch (CloneNotSupportedException e) {
       // this shouldn't happen, since we are Cloneable
       throw new InternalError();
   }
   }

以上通过对ArrayList部分关键源码的分析,知道了ArrayList底层的实现原理,关于ArrayList源码有以下几点几点总结:

1) ArrayList 底层是基于数组来实现的,可以通过下标准确的找到目标元素,因此查找的效率高;但是添加或删除元素会涉及到大量元素的位置移动,效率低。

2) ArrayList提供了三种不同的构造方法,无参数的构造方法默认在底层生成一个长度为10的Object类型的数组,当集合中添加的元素个数大于10,数组会自动进行扩容,即生成一个新的数组,并将原数组的元素放到新数组中。

3) ensureCapacity方法对数组进行扩容,它会生成一个新数组,长度是原数组的1.5倍+1,随着向ArrayList中不断添加元素,当数组长度无法满足需要时,重复该过程。

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