【131期】面试必会之ArrayList源码分析&手写ArrayList

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面试刷图,查缺补漏

号外:往期面试题,10篇为一个单位归置到本公众号菜单栏-面试题,有需要的欢迎翻阅

阶段汇总集合:

注:本文所有方法和示例基于jdk1.8

简介

ArrayList是我们开发中非常常用的数据存储容器之一,其底层是数组实现的,我们可以在集合中存储任意类型的数据,ArrayList是线程不安全的,非常适合用于对元素进行查找,效率非常高。

线程安全性

对ArrayList的操作一般分为两个步骤,改变位置(size)和操作元素(e)。所以这个过程在多线程的环境下是不能保证具有原子性的,因此ArrayList在多线程的环境下是线程不安全的。

源码分析

1. 属性分析

/**
 * 默认初始化容量
 */
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

/**
 * 如果自定义容量为0,则会默认用它来初始化ArrayList。或者用于空数组替换。
 */
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

/**
 * 如果没有自定义容量,则会使用它来初始化ArrayList。或者用于空数组比对。
 */
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

/**
 * 这就是ArrayList底层用到的数组

 * 非私有,以简化嵌套类访问
 * transient 在已经实现序列化的类中,不允许某变量序列化
 */
transient Object[] elementData;

/**
 * 实际ArrayList集合大小
 */
private int size;

/**
 * 可分配的最大容量
 */
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
扩展:什么是序列化

序列化是指:将对象转换成以字节序列的形式来表示,以便用于持久化和传输。

实现方法:实现Serializable接口。

然后用的时候拿出来进行反序列化即可又变成Java对象。

transient关键字解析

Java中transient关键字的作用,简单地说,就是让某些被修饰的成员属性变量不被序列化。

有了 transient关键字声明,则这个变量不会参与序列化操作,即使所在类实现了Serializable接口,反序列化后该变量为空值。

那么问题来了:ArrayList中数组声明: transient Object[] elementData;,事实上我们使用ArrayList在网络传输用的很正常,并没有出现空值。

原来: ArrayList在序列化的时候会调用 writeObject()方法,将 size element写入 ObjectOutputStream;反序列化时调用 readObject(),从 ObjectInputStream获取 size element,再恢复到 elementData

那为什么不直接用elementData来序列化,而采用上诉的方式来实现序列化呢?

原因在于 elementData是一个缓存数组,它通常会预留一些容量,等容量不足时再扩充容量,那么有些空间可能就没有实际存储元素,采用上诉的方式来实现序列化时,就可以保证只序列化实际存储的那些元素,而不是整个数组,从而节省空间和时间

2. 构造方法分析

根据initialCapacity 初始化一个空数组,如果值为0,则初始化一个空数组:


/**
 * 根据initialCapacity 初始化一个空数组
 */
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);
    }
}

不带参数初始化,默认容量为10:


/**
 * 不带参数初始化,默认容量为10
 */
public ArrayList() {
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

通过集合做参数的形式初始化:如果集合为空,则初始化为空数组:


/**
 * 通过集合做参数的形式初始化
 */
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;
    }
}

3. 主干方法

trimToSize()方法:

用来最小化实例存储,将容器大小调整为当前元素所占用的容量大小。


/**
 * 这个方法用来最小化实例存储。
 */
public void trimToSize() {
    modCount++;
    if (size  elementData.length) {
        elementData = (size == 0)
          ? EMPTY_ELEMENTDATA
          : Arrays.copyOf(elementData, size);
    }
}
clone()方法

用来克隆出一个新数组。


public Object clone() {
    try {
        ArrayList? v = (ArrayList?) super.clone();
        v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);
        v.modCount = 0;
        return v;
    } catch (CloneNotSupportedException e) {
        // this shouldn't happen, since we are Cloneable
        throw new InternalError(e);
    }
}

通过调用 Object clone()方法来得到一个新的 ArrayList对象,然后将 elementData复制给该对象并返回。

add(E e)方法

在数组末尾添加元素


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

看到它首先调用了 ensureCapacityInternal()方法.注意参数是size+1,这是个面试考点。


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

这个方法里又嵌套调用了两个方法:计算容量+确保容量

计算容量:如果elementData是空,则返回默认容量10和size+1的最大值,否则返回size+1


private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    return minCapacity;
}

计算完容量后,进行确保容量可用:(modCount不用理它,它用来计算修改次数)

如果 size+1 elementData.length证明数组已经放满,则增加容量,调用 grow()


private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;

    // overflow-conscious code
    if (minCapacity - elementData.length  0)
        grow(minCapacity);
}

增加容量:默认1.5倍扩容。

  • 获取当前数组长度=oldCapacity
  • oldCapacity1 表示将oldCapacity右移一位(位运算),相当于除2。再加上1,相当于新容量扩容1.5倍。
  • 如果`newCapacity>1=1`,`1<2`所以如果不处理该情况,扩容将不能正确完成。
  • 如果新容量比最大值还要大,则将新容量赋值为VM要求最大值。
  • 将elementData拷贝到一个新的容量中。
  • oldCapacity1 表示将oldCapacity右移一位(位运算),相当于除2。再加上1,相当于新容量扩容1.5倍。

    如果新容量比最大值还要大,则将新容量赋值为VM要求最大值。

    
    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);
    }
    
    size+1的问题

    好了,那到这里可以说一下为什么要size+1。

    size+1代表的含义是:

  • 如果集合添加元素成功后,集合中的实际元素个数。
  • 为了确保扩容不会出现错误。
  • 为了确保扩容不会出现错误。

    假如不加一处理,如果默认size是0,则0+01还是0。
    如果size是1,则1+11还是1。有人问:不是默认容量大小是10吗?事实上,jdk1.8版本以后,ArrayList的扩容放在add()方法中。之前放在构造方法中。我用的是1.8版本,所以默认 ArrayList arrayList = new ArrayList();后,size应该是0.所以,size+1对扩容来讲很必要.

    
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList arrayList = new ArrayList();
        System.out.println(arrayList.size());
    }
    
    输出:0
    

    事实上上面的代码是证明不了容量大小的,因为size只会在调用 add()方法时才会自增。有办法的小伙伴可以在评论区大显神通。

    add(int index, E element)方法
    
    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++;
    }
    

    rangeCheckForAdd()是越界异常检测方法。 ensureCapacityInternal()之前有讲,着重说一下 System.arrayCopy方法:

    
    public static void arraycopy(Object src, int srcPos, Object dest, int destPos, int length)
    

    代码解释:

  • Object src : 原数组
  • int srcPos : 从元数据的起始位置开始
  • Object dest : 目标数组
  • int destPos : 目标数组的开始起始位置
  • int length : 要copy的数组的长度
  • 示例:size为6,我们调用 add(2,element)方法,则会从index= 2+1=3的位置开始,将数组元素替换为从index起始位置为 index=2,长度为 6-2=4的数据。

    【131期】面试必会之ArrayList源码分析&手写ArrayList

    异常处理:

    
    private void rangeCheckForAdd(int index) {
        if (index  size || index  0)
            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
    }
    
    set(int index,E element)方法
    
    public E set(int index, E element) {
        rangeCheck(index);
    
        E oldValue = elementData(index);
        elementData[index] = element;
        return oldValue;
    }
    
    E elementData(int index) {
        return (E) elementData[index];
    }
    

    逻辑很简单,覆盖旧值并返回。

    indexOf(Object o)方法

    根据Object对象获取数组中的索引值。

    
    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;
    }
    

    如果o为空,则返回数组中第一个为空的索引;不为空也类似。

    注意:通过源码可以看到,该方法是允许传空值进来的。

    get(int index)方法

    返回指定下标处的元素的值。

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

    rangeCheck(index)会检测index值是否合法,如果合法则返回索引对应的值。

    remove(int index)方法

    删除指定下标的元素。

    
    public E remove(int index) {
        // 检测index是否合法
        rangeCheck(index);
        // 数据结构修改次数
        modCount++;
        E oldValue = elementData(index);
    
        // 记住这个算法
        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;
    }
    

    这里又碰到了 System.arraycopy()方法,详情请查阅上文。

    大概思路:将该元素后面的元素前移,最后一个元素置空。

    ArrayList优缺点

    优点:

  • 因为其底层是数组,所以修改和查询效率高。
  • 可自动扩容(1.5倍)。
  • 可自动扩容(1.5倍)。

    缺点:

  • 插入和删除效率不高。
  • 线程不安全。
  • 线程不安全。

    手写ArrayList

    那面试手写ArrayList应该就不是问题了。

    下面贴出我手写的一个简单阉割版的ArrayList:

    
    public class MyArrayList {
    
        // 非私有,以简化嵌套类访问
        // transient 在已经实现序列化的类中,不允许某变量序列化
        transient Object[] elementData;
    
        //默认容量
        private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
    
        // 用于空实例的 空数组实例
        private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
    
        private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
        // 实际ArrayList集合大小
        private int size;
        /**
         * 构造方法
         */
        public MyArrayList(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 MyArrayList(){
            this(DEFAULT_CAPACITY);
        }
    
        public void add(Object o){
            //1. 判断数据容量是否大于 elementData
            ensureExplicitCapacity(size+1);
            //2. 使用下标进行赋值
            elementData[size++] = o;
        }
        private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity){
            if (size == elementData.length){
                // 需要扩容,扩容1.5倍(ArrayList默认扩容1.5倍)
                // 注意:如果oldCapacity值为1
                int oldCapacity = elementData.length;
                int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity  1);
                // 如果新容量  最小容量, 则将最小容量赋值给新容量
                // 如果 oldCapacity=1, 则 minCapacity=1+1=2   newCapacity=1+(11)=1
                if (newCapacity - minCapacity  0){
                    newCapacity = minCapacity;
                }
                // 创建新数组
                Object[] objects = new Object[newCapacity];
                // 将数据复制给新数组
                System.arraycopy(elementData, 0, objects, 0, elementData.length);
                // 修改引用
                elementData = objects;
            }
        }
        public Object get(int index) {
            rangeCheck(index);
            return elementData[index];
        }
        private void rangeCheck(int index) {
            if (index = size)
                throw new IndexOutOfBoundsException("下标越界");
        }
    
        /**
         * 通过下标删除
         * @param index
         * @return
         */
        public Object remove(int index) {
            rangeCheck(index);
    
    //        modCount++;
            // 先查出元素
            Object oldValue = elementData[index];
            // 找出置换结束位置
            int numMoved = size - index - 1;
            if (numMoved  0)
                // 从 index+1 开始 将值覆盖为 index-numMoved 的值
                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) {
                for (int index = 0; index  size; index++){
                    if (o.equals(elementData[index])) {
                        remove(index);
                        return true;
                    }
                }
            return false;
        }
    }
    

    来源:Java知音

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