【集合框架】JDK1.8源码分析之ArrayList(六)

Java框架

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2019-3-19

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一、前言

  分析了Map中主要的类之后,下面我们来分析Collection下面几种常见的类,如ArrayList、LinkedList、HashSet、TreeSet等。下面通过JDK源码来一起分析ArrayList底层是如何实现的。(PS:把JVM看完了之后终于可以有成片的时间来阅读源码了,感觉简直不能更爽)。

二、ArrayList数据结构

  分析一个类的时候,数据结构往往是它的灵魂所在,理解底层的数据结构其实就理解了该类的实现思路,具体的实现细节再具体分析。

  ArrayList的数据结构如下:

  

  说明:底层的数据结构就是数组,数组元素类型为Object类型,即可以存放所有类型数据。我们对ArrayList类的实例的所有的操作底层都是基于数组的。下面我们来分析通过数组是如何保证库函数的正确实现的。

三、ArrayList源码分析

  3.1 类的继承关系

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable

  说明:ArrayList继承AbstractList抽象父类,实现了List接口(规定了List的操作规范)、RandomAccess(可随机访问)、Cloneable(可拷贝)、Serializable(可序列化)。

  3.2 类的属性  

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
    // 版本号
    private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;
    // 缺省容量
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
    // 空对象数组
    private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
    // 缺省空对象数组
    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
    // 元素数组
    transient Object[] elementData;
    // 实际元素大小,默认为0
    private int size;
    // 最大数组容量
    private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
}

  说明:类的属性中核心的属性为elementData,类型为Object[],用于存放实际元素,并且被标记为transient,也就意味着在序列化的时候,此字段是不会被序列化的。

  3.3 类的构造函数

  1. ArrayList(int)型构造函数  

    public ArrayList(int initialCapacity) {
        if (initialCapacity > 0) { // 初始容量大于0
            this.elementData = new Object[initialCapacity]; // 初始化元素数组
        } else if (initialCapacity == 0) { // 初始容量为0
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA; // 为空对象数组
        } else { // 初始容量小于0,抛出异常
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                               initialCapacity);
        }
    }

  说明:指定elementData数组的大小,不允许初始化大小小于0,否则抛出异常。

  2. ArrayList()型构造函数

    public ArrayList() { 
        // 无参构造函数,设置元素数组为空 
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }

  说明:当未指定初始化大小时,会给elementData赋值为空集合。

  3. ArrayList(Collection<? extends E>)型构造函数  

    public ArrayList(Collection<? extends E> c) { // 集合参数构造函数
        elementData = c.toArray(); // 转化为数组
        if ((size = elementData.length) != 0) { // 参数为非空集合
            if (elementData.getClass() != Object[].class) // 是否成功转化为Object类型数组
                elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class); // 不为Object数组的话就进行复制
        } else { // 集合大小为空,则设置元素数组为空
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        }
    }

  说明:当传递的参数为集合类型时,会把集合类型转化为数组类型,并赋值给elementData。

  3.4 核心函数分析

  1. add函数

    public boolean add(E e) { // 添加元素
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }

  说明:在add函数我们发现还有其他的函数ensureCapacityInternal,此函数可以理解为确保elementData数组有合适的大小。ensureCapacityInternal的具体函数如下 

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) { // 判断元素数组是否为空数组
            minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity); // 取较大值
        }
        
        ensureExplicitCapacity(minCapacity);
    }

  说明:在ensureCapacityInternal函数中我们又发现了ensureExplicitCapacity函数,这个函数也是为了确保elemenData数组有合适的大小。ensureExplicitCapacity的具体函数如下

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        // 结构性修改加1
        modCount++;
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
    }

  说明:在ensureExplicitCapacity函数我们又发现了grow函数,grow函数才会对数组进行扩容,ensureCapacityInternal、ensureExplicitCapacity都只是过程,最后完成实际扩容操作还是得看grow函数,grow函数的具体函数如下  

    private void grow(int minCapacity) {
        int oldCapacity = elementData.length; // 旧容量
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // 新容量为旧容量的1.5倍
        if (newCapacity - minCapacity < 0) // 新容量小于参数指定容量,修改新容量
            newCapacity = minCapacity;
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0) // 新容量大于最大容量
            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity); // 指定新容量
        // 拷贝扩容
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }

  说明:正常情况下会扩容1.5倍,特殊情况下(新扩展数组大小已经达到了最大值)则只取最大值。

  当我们调用add方法时,实际上的函数调用如下

  说明:程序调用add,实际上还会进行一系列调用,可能会调用到grow,grow可能会调用hugeCapacity。

  下面通过两种方式给出调用add的例子,并分析最后的elementData数组的大小。

  示例一(只给出了会影响到最终结果的核心代码) 

List<Integer> lists = new ArrayList<Integer>();
lists.add(8);

  说明:初始化lists大小为0,调用的ArrayList()型构造函数,那么在调用lists.add(8)方法时,会经过怎样的步骤呢?下图给出了该程序执行过程和最初与最后的elementData的大小

  说明:我们可以看到,在add方法之前开始elementData = {};调用add方法时会继续调用,直至grow,最后elementData的大小变为10,之后再返回到add函数,把8放在elementData[0]中。

  示例二核心代码如下

List<Integer> lists = new ArrayList<Integer>(6);
lists.add(8);

  说明:调用的ArrayList(int)型构造函数,那么elementData被初始化为大小为6的Object数组,在调用add(8)方法时,具体的步骤如下:

  说明:我们可以知道,在调用add方法之前,elementData的大小已经为6,之后再进行传递,不会进行扩容处理。

  2. set函数 

    public E set(int index, E element) {
        // 检验索引是否合法
        rangeCheck(index);
        // 旧值
        E oldValue = elementData(index);
        // 赋新值
        elementData[index] = element;
        // 返回旧值
        return oldValue;
    }

  说明:设定指定下标索引的元素值。  

  3. indexOf函数

// 从首开始查找数组里面是否存在指定元素
    public int indexOf(Object o) {
        if (o == null) { // 查找的元素为空
            for (int i = 0; i < size; i++) // 遍历数组,找到第一个为空的元素,返回下标
                if (elementData[i]==null)
                    return i;
        } else { // 查找的元素不为空
            for (int i = 0; i < size; i++) // 遍历数组,找到第一个和指定元素相等的元素,返回下标
                if (o.equals(elementData[i]))
                    return i;
        } 
        // 没有找到,返回空
        return -1;
    }

  说明:从头开始查找与指定元素相等的元素,注意,是可以查找null元素的,意味着ArrayList中可以存放null元素的。与此函数对应的lastIndexOf,表示从尾部开始查找。

  4. get函数

    public E get(int index) {
        // 检验索引是否合法
        rangeCheck(index);

        return elementData(index);
    }

  说明:get函数会检查索引值是否合法(只检查是否大于size,而没有检查是否小于0),值得注意的是,在get函数中存在element函数,element函数用于返回具体的元素,具体函数如下 

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

  说明:返回的值都经过了向下转型(Object -> E),这些是对我们应用程序屏蔽的小细节。

  5. remove函数  

    public E remove(int index) {
        // 检查索引是否合法
        rangeCheck(index);
        
        modCount++;
        E oldValue = elementData(index);
        // 需要移动的元素的个数
        int numMoved = size - index - 1;
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                             numMoved);
        // 赋值为空,有利于进行GC
        elementData[--size] = null; 
        // 返回旧值
        return oldValue;
    }

  说明:remove函数用户移除指定下标的元素,此时会把指定下标到数组末尾的元素向前移动一个单位,并且会把数组最后一个元素设置为null,这样是为了方便之后将整个数组不被使用时,会被GC,可以作为小的技巧使用。

四、总结

  ArrayList有其特殊的应用场景,与LinkedList相对应。其优点是随机读取,缺点是插入元素时需要移动大量元素,效率不太高。至此,ArrayList的源码分析就到这里,总体来说,ArrayList的底层还是很简单的,谢谢各位园友的观看~

集合框架源码分析框架目录如下

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作者:leesf    掌控之中,才会成功;掌控之外,注定失败。

出处:http://www.cnblogs.com/leesf456/

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