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Java容器

集合系列 List(二):ArrayList

知优码 2019-11-17Java容器
ArrayList 是 List 集合的列表经典实现,其底层采用定长数组实现,可以根据集合大小进行自动扩容。public class ArrayList extends AbstractList

ArrayList 是 List 集合的列表经典实现,其底层采用定长数组实现,可以根据集合大小进行自动扩容。

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

原理

为了深入理解 ArrayList 的原理,我们将从类成员变量、构造方法、核心方法两个方面逐一介绍。

类成员变量

// 默认初始化大小
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
// 空列表数据。初始化时如果没有指定大小,则将此值赋予elementData
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
// 默认空列表数据。如果没有指定大小,那么将此值赋予elementData
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
// 列表数据
transient Object[] elementData; 
// 列表大小
private int size;

构造方法

ArrayList 一共有 3 个构造方法:

// 空构造方法
public ArrayList() {
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
// 指定大小
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);
    }
}
// 指定初始集合
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
    elementData = c.toArray();
    if ((size = elementData.length) != 0) {
        // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
        if (elementData.getClass() != Object[].class)
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
    } else {
        // replace with empty array.
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
}

从第一个构造方法可以看到,如果没有指定大小,那么就将 elementData 赋值为 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA。而从第二个构造方法可以看到,如果指定了大小为 0,那么就将 elementData 赋值为 EMPTY_ELEMENTDATA。

核心方法

在 ArrayList 中最为核心的是获取、插入、删除、扩容这几个方法。

获取

获取的源码非常简单,只需对 index 做有效性校验。如果参数合法,那么直接返回对应数组下标的数据。

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

插入

插入一共有两种实现方式,第一种是直接插入列表尾部,另一种是插入某个位置。

// 直接插入尾部
public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    elementData[size++] = e;
    return true;
}
// 插入某个位置
public void add(int index, E element) {
    rangeCheckForAdd(index);

    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                     size - index);
    elementData[index] = element;
    size++;
}

如果是直接插入尾部的话,那么只需调用 ensureCapacityInternal 方法做容量检测。如果空间足够,那么就插入,空间不够就扩容后插入。

如果是插入的是某个位置,那么就需要将 index 之后的所有元素后移以为,之后再将元素插入至 index 处。

删除

ArrayList 的删除方法有两个,分别是:

  • 删除某个位置的元素:remove(int index)
  • 删除某个具体的元素:remove(Object o)

我们先来看第一个删除方法:删除某个位置的元素。

// 删除某个位置的元素
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;
}

上述代码的逻辑大致是这样的:首先做参数范围检查,接着将 index 位置后的所有元素都往前挪一位,最后减少列表大小。

我们继续看第二个删除方法:删除某个特定的元素。

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;
}

上述代码的逻辑大致是:首先,遍历列表的所有元素,找到需要删除的元素索引,最后调用 fastRemove 方法删除该元素。我们继续看看 fastRemove 方法的实现。

/*
 * 用私有的方法 fastRemove 方法跳过边界检查,不返回删除值。
 */
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
}

这里会有一个疑问,那就是为什么不直接复用 remove(int index) 方法,而要新写一个方法呢?答案在 fastRemove 方法的注释中已经写了,就是为了跳过边界检查,提高效率。

扩容

扩容是 ArrayList 的核心方法,当插入的时候容量不足,便会触发扩容。我们可以看到在插入的两个方法中都调用了扩容方法——ensureCapacityInternal。

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}

ensureCapacityInternal 方法直接调用 ensureExplicitCapacity 实现。

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;
    // overflow-conscious code
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);
}

ensureExplicitCapacity 方法首先判断容量是否足够,如果不够就调用 grow 方法扩容。

private void grow(int minCapacity) {
    // overflow-conscious code
    int oldCapacity = elementData.length;
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

grow 方法的大致逻辑为:将原有列表容量扩大为原来的 1.5 倍。如果还是不够,那么直接扩大为最小容量(minCapacity)。

总结

经过上面的分析,我们可以知道 ArrayList 有如下特点:

  • 底层基于数组实现,读取速度快,修改速度慢(读取时间复杂度O(1),修改时间复杂度O(N))。
  • 非线程安全。
  • ArrayList 每次默认扩容为原来的 1.5 倍。