JAVA源碼-ArrayList源碼分析

ArrayList是線性表的實現之一,也是我們平常開發中用的最多的一種容器類。
今天就講講其源碼實現。
先來看看其類圖。

可以看到其繼承自AbstractList類,也是Collection的子類之一，同時實現了Serializable、Cloneable、RandomAccess接口。

實現Serializable接口:支持序列化
實現Cloneable接口:能被克隆
實現RandomAccess接口:可以通過下標隨機訪問

成員變量

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
    private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
    private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
    transient Object[] elementData;
    private int size;
}

字段	作用
serialVersionUID	序列化驗證版本一致性字段
DEFAULT_CAPACITY	默認容量大小
EMPTY_ELEMENTDATA	static修飾的空數組,存在常量池,用於指定容量爲0時的初始化
DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA	同上,用於無參數構造的初始化
elementData	用於保存添加到ArrayList中的元素
size	ArrayList的大小

構造函數

public ArrayList() {
	this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

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);
    }
}

public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
    elementData = c.toArray();
    if ((size = elementData.length) != 0) {
        if (elementData.getClass() != Object[].class)
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
    } else {
        // replace with empty array.
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
}

可以看到ArrayList共有三個構造函數

ArrayList():默認的構造函數,默認初始容量爲10,並賦予一個在常量池中存在的空數組
ArrayList(int initialCapacity):指定容量的構造,如果容量等於0,則賦予一個空數組,反之則在堆區創建一個指定大小的Object數組,並將elementData指向該數組
ArrayList(Collection<? extends E> c):將傳入的集合中的元素複製到ArrayList中。先將傳入的集合轉爲數組賦值給elementData,然後判斷數組是否爲Object[]類型,如果不是的話就通過Arrays.copyOf()將數組中的元素拷貝到elementData中。若傳入集合大小爲0,給elementData複製一個空數組。

常用操作

ArrayList類有多個方法,接下來就列舉一些常用的方法來講解。

ensureCapacity()

擴容操作

public void ensureCapacity(int minCapacity) {
    int minExpand = (elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)
        ? 0 
        : DEFAULT_CAPACITY;
    if (minCapacity > minExpand) {
        ensureExplicitCapacity(minCapacity);
    }
}

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {、
	//modCount爲改變ArrayList結構的次數
    modCount++;
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);
}

private void grow(int minCapacity) {
    int oldCapacity = elementData.length;
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

minExpand這個局部變量取決於elementData的數據情況,如果elementData是一個空數組,則minExpand=0,反之爲默認容量10。接下來判斷傳入的容量是否大於minExpand,判斷成立的話會調用ensureExplicitCapacity()進行擴容。
在ensureExplicitCapacity裏又判斷傳入的容量大小是否大於ArrayList內部數組elementData的大小,成立的話最終調用grow()。
ArrayList最終的大小有三種可能:minCapacity、原數組的1.5倍、hugeCapacity()方法的返回值。
最後通過Arrays.copyOf()將舊數組的數據複製到新數組。

add()

添加操作

public boolean add(E e) {
    //也是調用ensureExplicitCapacity來進行擴容
    ensureCapacityInternal(size + 1);
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

public void add(int index, E element) {
    rangeCheckForAdd(index);
    ensureCapacityInternal(size + 1);
    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                     size - index);
    elementData[index] = element;
    size++;
}

add有兩個重載方法。
add(E e):1、擴容 2、將元素添加到elementData數組尾部,時間複雜度爲O(1)
add(int index, E element):1、檢查下標越界 2、擴容 3、從下標index開始,依次複製到後一個位置 4、將元素添加到數組下標index處 5、將size+1,該方法最壞的時間複雜度爲O(n)

remove()

移除元素

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;
}

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;
}

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; 
}

remove也有兩個重載方法

remove(int index):1、檢查下標越界 2、取出下標index處的元素 3、調用System.arraycopy()將下標index+1處的元素依次複製到index處 4、將最後一個元素置爲null,並將size-1 ,該方法最壞時間複雜度O(n)
remove(Object o):若傳入參數爲null,則遍歷elementData數組,找到第一個爲null的位置,調用fastRemove()來移除元素。若傳入元素不爲null,同樣遍歷elementData,找到與傳入參數地址一致的對象位置,調用fastRemove()
fastRemove()方法與remove(int index)類似,不再分析。
remove()方法的時間複雜度爲O(n)

get()

獲取指定位置的元素

public E get(int index) {
    rangeCheck(index);
    return elementData(index);
}

get方法先進行下標檢查,隨後返回elementData數組的index位置元素。時間複雜度O(1)

set()

設置指定位置的元素

public E set(int index, E element) {
    rangeCheck(index);
    E oldValue = elementData(index);
    elementData[index] = element;
    return oldValue;
}

set方法先進行下標檢查,隨後將elementData數組的index位置設置爲傳入的元素,返回elementData原先的index位置元素。時間複雜度O(1)

contains()

判斷是否包含某個元素

public boolean contains(Object o) {
    return indexOf(o) >= 0;
}

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;
}

contains方法會調用indexOf()來返回元素的下標,若返回-1,則代表沒有該元素。
indexOf():通過遍歷elementData數組來返回元素下標
最壞時間複雜度O(n)

trimToSize()

去除擴容後未存放元素的預留空間。

public void trimToSize() {
    modCount++;
    if (size < elementData.length) {
        elementData = (size == 0)
          ? EMPTY_ELEMENTDATA
          : Arrays.copyOf(elementData, size);
    }
}

sort()

對列表的元素進行排序

public void sort(Comparator<? super E> c) {
    final int expectedModCount = modCount;
    Arrays.sort((E[]) elementData, 0, size, c);
    if (modCount != expectedModCount) {
        throw new ConcurrentModificationException();
    }
    modCount++;
}

調用Arrays.sort()進行排序。

總結

1、ArrayList底層是基於數組來實現的,因此set/get的效率特別高,但add/remove的效率較低
2、ArrayList的默認容量是10
3、ArrayList會自動擴容,會擴容成1.5倍,如果1.5倍比我們指定的容量小的話,會擴容成指定容量。如果容量太大,則直接擴容成Integer.MAX_VALUE或MAX_ARRAY_SIZE(Integer.MAX_VALUE - 8)
4、ArrayList不是線程安全的

JAVA源碼-ArrayList源碼分析

成員變量

構造函數

常用操作

ensureCapacity()

add()

remove()

get()

set()

contains()

trimToSize()

sort()

總結

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