ArrayList分析1-循環、擴容、版本
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前段時間抽空看了下ArrayList的源碼，發現了一些有意思的東東，真的是大受裨益哈，尤其是版本問題😊
所以，本篇博客開始我將大概分三篇講講ArrayList裏面一些有意思的點哈，由於源碼大概一千八百逾行，裏面大多代碼都很通俗，也有些部分存在重複的（Itr以及SubList的內部方法），因爲大多通俗遂這裏不會逐行的分析哈，好了，現在開始～😂
一.關於循環的一個問題
首先，我給出一個很easy的循環：
public static void main(String[] args) {
for(int i = 0;i<8;i++){
System.out.print(i+"\t"); // 0 1 2 3 4 5 6 7
}
}
看起來很簡單吧，哈哈，這時我會問：各位有沒試過將i提到for循環外邊呢，像下面這樣：
public static void main(String[] args) {
int i;
for(i = 0;i<8;i++){
System.out.println(i);
}
System.out.println(i);// ?
}
上面第六行的i會輸出什麼呢？真是個有意思的問題，這真是一個微小而有意思的問題，我們經常使用，卻很少利用for去做一些別樣的事兒，ArrayList就有一騷操作，
原本我是準備臆測出來，卻發現怎麼也理解不了，當然啦，這個問題接下來我會說到：探究這個問題我們先看看一個普通的for循環的結構
for(定義1;定義2;定義3){
//定義4 ：循環內的語句塊
}
個人文采拙劣，這裏就用定義一詞哈😳
定義1: 這個地方我們經常會用int i=0; 這樣一個語句，其實這個地方是對循環的變量做一次定義，這個地方的定義是一次性的，而且是第一次循環的時候會執行。
定義2: 這裏一般是個判斷性的表達式，而且這個地方的整體必須返回一個boolean，這個很重要，既然這個地方只需要返回一個布爾的結果，那麼你想過沒有，如果這個地方 我寫的是 (i<10 && i>=0) 會不會拋錯呢 🤣
定義4: 這是循環內語句塊，通常我們會取到當前循環到的i進行某些邏輯處理，這裏不是重點哈。
定義3: 這個地方是重點，一般我們會說每次循環後我們會將i--或者i++, 這種循環變量變化我們一般都會寫在這個位置，這是_very very normal_的，但問題是每次執行完定義4的部分 就一定會執行定義3這個地方嘛？ 答案是：一定會的！，爲什麼呢，看看生成的字節碼指令就知道了哈🌹 ：
0 iconst_0
1 istore_1
2 iload_1
3 bipush 8
5 if_icmpge 21 (+16)
8 getstatic #2 <java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;>
11 iload_1
12 invokevirtual #3 <java/io/PrintStream.println : (I)V> //打印i
15 iinc 1 by 1
18 goto 2 (-16)
21 getstatic #2 <java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;>
24 iload_1
25 invokevirtual #3 <java/io/PrintStream.println : (I)V> //打印i
28 return
以上是main函數內的完整字節碼內容(jdk=java8), 可以看到指令內有兩處println，自然第一個println即是for循環內的(標號12處的),下面一行就很重要了，官方描述是：將局部棧幀的索引+1(see: https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-6.html#jvms-6.5.iinc),說明白些也就是將i加一，然後就到了標號18這個位置，goto是將當前語句指向標號2這個位置 將store的i加載...到這裏也就很明白了， goto指令是在i自增1之後，可以完全確認循環外的println打印的就一定是 8 ！
看似簡單的操作 ArrayList 則時常使用，比如可以用i循環，循環完成後，數組的大小不就是這個i了？以下ArrayList->Itr內的一段代碼：
// 循環每個剩餘操作
// 這是java8提供給iterator的函數式循環接口，其使用方式如下
// ArrayList arr = new ArrayList();
// arr.add("a");
// arr.add("b");
// arr.add("c");
// System.out.println(arr);
// Iterator iterator = arr.iterator();
// iterator.next(); // a
// iterator.forEachRemaining(item-> System.out.println(item)); // b c
@Override
@SuppressWarnings("unchecked")
public void forEachRemaining(Consumer<? super E> consumer) {
// 檢查是否爲null，否則拋出錯誤
Objects.requireNonNull(consumer);
// 獲取當前數組大小並檢查迭代器的遊標位置是否大於數組大小
final int size = ArrayList.this.size;
int i = cursor;
if (i >= size) {
return;
}
// 老實說 elementData.length 與 ArrayList.this.size 是一對一關聯的，這裏這樣做似乎多餘
final Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
if (i >= elementData.length) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
while (i != size && modCount == expectedModCount) {
// 消費這個元素，同時將遊標位置+1
consumer.accept((E) elementData[i++]);
}
// update once at end of iteration to reduce heap write traffic 在迭代結束時更新一次以減少堆寫入流量
// 因爲i在以上已經+1了，所以這裏直接賦值以及重置當前迭代的索引位置（lastRet）
cursor = i;
lastRet = i - 1;
checkForComodification();
}
上面這是迭代器內的部分迭代方法的定義，可以看到有句 cursor = i; 這個地方的i其實也就是size哈，稍不注意就理解錯了,小問題讓大家見笑了...😂
二.ArrayList擴容
ArrayList內部其實也就是維護了一個 Object 類型的數組，它具體是這樣定義的transient Object[] elementData; ,看起來是不是超簡單呢？呵呵呵，如果將ArrayList看作成一個大水缸的話，這個elementData就是水缸的本體，ArrayList可以看做一個用戶態的接口，簡單理解它其實就是是水缸外層刷的油漆或蓋子抑或是漏斗。
打比方，如果這個水缸 （elementData ）能裝四桶水，那麼這四桶水我們用 initialCapacity 這個變量來表示，當前實際上如果只有兩桶水，則這個水缸實際儲水容量（兩桶水）我們用size來表示，這樣就好理解了吧？
好了，如果預先知道將有8桶水倒入缸內，那我們就要準備一個能容納8桶水的水缸，對於代碼就是這樣的：public ArrayList(int initialCapacity) {....}
當然，如果我們只允許用一個水缸來儲存水的話，這個水缸當前如果是滿載（8桶水），第9桶水的時候就需要準備一個至少能容納9桶水的水缸，對於ArrayList來說這時候就需要擴容了，代碼是這樣的：
// 確保顯式容量(官方直譯，不懂直接看代碼)
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
// 這個變量記錄的是當前活動數組被修改的次數
// 每添加一個(準確的說是一次)元素修改次數+1，如果是addAll也算做是+1
modCount++;
// overflow-conscious code 判斷是否溢出
// 可以簡單的理解 minCapacity 爲當前需要保證的最小容量(具體大小爲當前容量+1:這是對於當前add元素的個數而定的)，elementData.length則爲當前活動數組的容量
// minCapacity 也爲添加元素後所需數組容量大小，如果(所需容量)大於當前(添加前)數組容量即需要<b>擴容</b>
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity); //增長(擴容）
}
當然這時本着少騰挪多儲水的原則，我們一般不會準備一個只能容納9桶水的水缸，水缸太大也不好，容易浪費缸的容量維護也麻煩😓，所以對於ArrayList這個水缸，我們每次增長爲現有容量的1.5倍(多了50%左右，如果當前Capacity是10->增長到15，9->增長到13），具體對應到ArrayList的代碼就是：
/**
* Increases the capacity to ensure that it can hold at least the
* number of elements specified by the minimum capacity argument.
* 增加容量以確保它至少可以容納最小容量參數指定的元素數量。
* @param minCapacity the desired minimum capacity 所需的最小容量(也即當前需要的容量大小)
*/
private void grow(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length;
// 這裏的增長策略是 oldCapacity=10 -> newCapacity=15 oldCapacity=9 -> newCapacity=14
// 即 每一次增長的爲上一次的一半
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
// 這裏個人覺得只是一個保險，對於類似addAll這樣的操作 newCapacity 可能小於一次add的數量
// 比如當前容量是10[oldCapacity:10->newCapacity:15],addAll(100)後所需的容量還是不夠 這時就會出現[newCapacity:100]
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
// 這裏也是一個保險，對於待擴容後的大小比數組最大(MAX_ARRAY_SIZE)還要大的時候啓用hugeCapacity(minCapacity)
// 這裏調用 hugeCapacity 後頂多擴容8個大小 MAX_ARRAY_SIZE=2147483639(Integer.MAX_VALUE-8)
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
// minCapacity is usually close to size, so this is a win:
// 翻譯： minCapacity 通常接近 size，所以這是一個勝利
// Arrays.copyOf:
// 複製指定的數組，截斷或填充空值（如有必要），使副本具有指定的長度。對於在原始數組和副本中都有效的所有索引，
// 這兩個數組將包含相同的值。對於在副本中有效但在原始副本中無效的任何索引，副本將包含 null。
// 當且僅當指定長度大於原始數組的長度時，此類索引才會存在。結果數組與原始數組的類完全相同。
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
上面有一句很重要 : int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); ,每次換用更大的水缸時都會將之前缸內的水兌過來，對應ArrayList就是這句：elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
算是很形象吧😅，這只是簡單的理解，擴容也還有很多內容，比如什麼時候擴容，擴容一個單位不夠怎麼辦，滿了怎麼辦？？？等等問題....
三.ArrayList中的版本管理
一開始大家會覺得這是個奇怪的問題，ArrayList中爲啥會有版本，版本做什麼用？
首先，我詳細解答第一個問題：ArrayList中爲什麼有版本？，首先先看一段ArrayList的源碼,關於Iterator的：
(以下爲第一段代碼)
public Iterator<E> iterator() {
// 雖然與都會返回一個迭代器，但是iterator只能單向循環，且不能實現增刪改查
// 詳見： https://www.cnblogs.com/tjudzj/p/4459443.html
return new Itr();
}
(以下爲第二段代碼)
public E next() {
// 版本檢查
checkForComodification();
// 這個將遊標賦予i，然後檢查是否i是否超出當前數組索引位置（size)
// 我暫時沒看出以下三行跟 hasNext() 有多少區別。。。，而且checkForComodification內也是做了安全檢查了的
// 總結就是：十分沒必要啊...
int i = cursor;
if (i >= size)
throw new NoSuchElementException();
// 不大明白爲啥要再整個引用 ，通過這個新引用索引返回數組值
Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
if (i >= elementData.length)
throw new ConcurrentModificationException();
// 因爲迭代器每次循環前都會調用 hasNext ，故此推測這裏也應該將遊標+1
cursor = i + 1;
// 需要說明的是這個 lastRet 是個成員變量，而i只是個方法內臨時變量而已
// 所以每循環一次這個 lastRet 需要記錄爲當前返值前的當前索引位置
return (E) elementData[lastRet = i];
}
(以下爲第三段代碼)
//// example：
// ArrayList arr = new ArrayList();
// arr.add("a");
// arr.add("b");
// arr.add("c");
// ListIterator listIterator = arr.listIterator();
// arr.remove("a");// throw error
// Object previous = listIterator.previous();
final void checkForComodification() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
額，由於只是截取了部分代碼，我先簡單講講上面三段代碼，第一段代碼很明顯，我們使用迭代器的時候首先調用的就是集合類的 iterator() 方法，而 iterator() 內部 只做了一件事兒：new Itr() ，現在知道迭代器是一個類對象，這點很重要。
繼續看第二段：next()方法，這個方法內部第一行代碼 是 checkForComodification(), 這是一個較爲特殊的存在，點進去會看到以上第三段代碼，if判斷內有兩個參數 ，一個是 modCount (直譯爲修改次數)，第二個參數爲 expectedModCount (預期修改的次數)，點到這個參數定義，它只有一句很簡單的定義int expectedModCount = modCount; ,是不是很迷糊😂？
在next()內還有一句也很重要 Object[] elementData = ArrayList.this.elementData; ,這句估計很好懂了，Itr迭代器內使用的數組其實也就是ArrayList中維護的數組對象(elementData),倒退一步，再往回思考下 checkForComodification()看...
不知讀者老爺有沒恍然大悟，其實很簡單啦: Itr對象不希望你在使用Itr迭代器的過程中修改(主要是增刪)ArrayList中的(elementData)元素，不然在迭代的時候源數組少了個元素會直接拋錯的，Itr內的expectedModCount只會在 new Itr() 時被賦值一次，這就是很好的證明啦~
Itr是Iterator的實現，裏面只有迭代的操作，如果有更復雜的操作，比如ListItr(是Itr以及ListIterator的繼承實現) 裏面更是對迭代器增加了增刪改查方法，以及SubList這個對象內部也是，內部均是對ArrayList維護elementData直接操作(他們並未拷貝elementData)，所以裏面的增刪操作不僅僅要比較ArrayList的elementData版本，也要在操作(增刪)之後同步ArrayList的modCount版本，以下是ListItr內的add(E e)函數的源碼：
public void add(E e) {
checkForComodification();
try {
// ArrayList的添加方法，在遊標位置添加元素，遊標及之後的元素往後移動，
int i = cursor;
// 這裏還需要注意的是這個插入是在當前元素之後插入元素，ArrayList則是在元素之前，這主要是遊標是當前位置+1
ArrayList.this.add(i, e);
// 因爲增加了個元素，所以遊標的位置要+1，當前位置lastRet會在下一次調用next或previous時會被重置
cursor = i + 1;
lastRet = -1;
// 這個其實類似於版本的概念，主要由於ArrayList與Iterator修改不同步，expectedModCount，這個會在 checkForComodification() 中進行校驗
expectedModCount = modCount;
} catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
以上代碼中有這樣一句 expectedModCount = modCount; 不知讀者們明白否。。。😂
ArrayList中爲啥有版本管理，版本管理怎麼用？
好了，我總結下本小節開頭的的兩個問題
首先版本管理就是在增刪元素的時候對 modCount 自增1
因爲對ArrayList的迭代器 Itr、ListItr以及SubList(截取類) 他們是單獨類對象同時內部也是直接操作的ArrayList的源elementData數組對象，所以在ArrayList添加元素時這三個類內部方法均不知道數組元素個數已發生變化，所以在操作elementData時候均需要判讀版本是否一致，這就是爲啥有版本；
他解決的是:這幾個類在操作 elementData (ArrayList的)時 ArrayList可能對其的增刪導致的版本不一致的問題，總結似乎臭長了些，但就是這麼個意思😂
理解這個很重要，不然你在讀 ArrayList的 add 、remove這類方法時不知modCount作甚云云，哈哈。。。