Java集合-一文就懂

Posted 2021-07-17 李子捌

1、集合

1.1 JAVA集合关系图

1.2 ArrayList源码分析

1、简介

ArrayList 是 java 集合框架中比较常用的数据结构了。继承自 AbstractList，实现了 List 接口。底层基于数组实现容量大小动态变化。允许 null 的存在。同时还实现了 RandomAccess、Cloneable、Serializable 接口，所以ArrayList 是支持快速访问、复制、序列化的。

2、重要属性

默认初始容量 10

/**
 * Default initial capacity.
 */
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

EMPTY_ELEMENTDATA与DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA这两个变量使用在构造函数中

这两个空的数组有什么区别？We distinguish this from EMPTY_ELEMENTDATA to know how much to inflate when first element is added.区分第一次添加元素的时候知道elementData从空的构造函数还是有参构造函数初始化的。以便于确认如何扩容。

/**
 * Shared empty array instance used for empty instances.
 */
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

/**
 * Shared empty array instance used for default sized empty instances
 */
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

存储数组列表元素的数组缓冲区

/**
 * The array buffer into which the elements of the ArrayList are stored.
 * The capacity of the ArrayList is the length of this array buffer. Any
 * empty ArrayList with elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
 * will be expanded to DEFAULT_CAPACITY when the first element is added.
 */
transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access

数组中元素的大小，size是指elementData中实际有多少个元素，elementData.length为集合容量，表示集合当前最多可以容纳多少个元素

/**
 * The size of the ArrayList (the number of elements it contains).
 */
private int size;

modCount定义在父类AbstractList中。记录List的操作次数。主要使用在Iterator中，防止在迭代的过程中集合被修改

/**
 * The number of times this list has been <i>structurally modified</i>\\
 */
protected transient int modCount = 0;

3、构造函数

3.1 无参构造函数

需要注意的是无参构造函数，给elementData赋值的是一个空的数组，在第一次添加元素的时候才把容量扩大为10，不要被注释给误导了。此处可见无参构造器是将DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA赋值给elementData

/**
 * Constructs an empty list with an initial capacity of ten.
 */
public ArrayList() {
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

3.2 构造一个初始容量为initialCapacity的ArrayList

当initialCapacity>0，初始化一个大小为initialCapacity的Object数组，赋值给elementData；当initialCapacity==0，将EMPTY_ELEMENTDATA赋值给elementData；否则，抛出异常。

/**
 * Constructs an empty list with the specified initial capacity.
 */
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);
    }
}

3.3 通过指定的Collection来初始化一个ArrayList

将Collection转为数组并且赋值给elementData，elementData.length赋值给size；如果size != 0，则判断elementData类型是否为Object[]类型，不是则做一次转换（注意此处其实是一个官方bug解决方案）；如果size == 0则将EMPTY_ELEMENTDATA赋值给elementData，相当于new ArrayList(0)

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;
    }
}

4、核心方法

4.1 add 操作

ensureCapacityInternal();

每次添加元素到集合中都会先确认集合容量的大小；

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

calculateCapacity();

判断elementData==DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA则取DEFAULT_CAPACITY和minCapacity的最大值，也就是10；此处验证了在第一次插入的时候才会给数组初始容量10；

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

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

modCount++;

记录操作次数；

minCapacity - elementData.length > 0；

数组长度不够时对数组进行扩容，执行grow()函数的逻辑

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

oldCapacity + (oldCapacity >> 1)

默认将数组的大小扩容到原来的1.5倍

newCapacity - minCapacity < 0

如果扩容后的容量不足，则将所需容量minCapacity赋值给newCapacity，扩容后数组大小就是申请的容量

newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0

如果扩容后的数组容量太大，超过了Integer.MAX_VALUE - 8的大小，则数组的大小为hugeCapacity(),(minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ? Integer.MAX_VALUE : MAX_ARRAY_SIZE;

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);
}

private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
    if (minCapacity < 0) // overflow
        throw new OutOfMemoryError();
    return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
        Integer.MAX_VALUE :
    MAX_ARRAY_SIZE;
}

其余add()方法大同小异

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++;
}

public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
    Object[] a = c.toArray();
    int numNew = a.length;
    ensureCapacityInternal(size + numNew);  // Increments modCount
    System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
    size += numNew;
    return numNew != 0;
}

public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
    rangeCheckForAdd(index);
    Object[] a = c.toArray();
    int numNew = a.length;
    ensureCapacityInternal(size + numNew);  // Increments modCount
    int numMoved = size - index;
    if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew, numMoved);
    System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);
    size += numNew;
    return numNew != 0;
}

4.2 remove 操作

rangeCheck(index);

检查index是否合法，当index >= size时，抛出IndexOutOfBoundsException异常；

modCount++;

记录集合的操作次数；

E oldValue = elementData(index);

取出移除元素，用于放回给方法调用者；

if (numMoved > 0)

判断当前删除的集合元素是否时数组的最后一个元素，如果不是最后一个元素，则调用System.arraycopy()方法做一次数组拷贝；如果移除的元素是最后一个元素或者在数组复制结束之后，将数组的最后一个元素置为null，等待GC垃圾回收；–size数组的大小减一；

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;
}

4.3 get 操作

rangeCheck(index);

检查index是否合法，当index >= size时，抛出IndexOutOfBoundsException异常；

elementData(index);

由于ArrayList的底层是由数组实现的，所有获取元素直接调用数组的随机访问即可；

public E get(int index) {
    rangeCheck(index);

    return elementData(index);
}

5、Iterator

5.1 前言

Java开发初级工程师在使用for遍历集合的时候，由于使用不正确的API方法对集合进行remove()操作，经常会抛出java.util.ConcurrentModificationException，因此我们来从源码的层面仔细的探究一下为什么会产生ConcurrentModificationException以及如何解决这个异常！foreach循环又称增强for循环，是jdk1.5为了简化数组或者和容器遍历而产生，foreach循环的适用范围：对于任何实现了Iterable接口的容器都可以使用foreach循环。foreach语法的冒号后面可以有两种类型，一种是数组类型；一种是实现了Iterable接口的类，因此在使用foreach循环遍历ArrayList的时候，可以看作就是在使用List的迭代器进行遍历

如下代码，foreach遍历list集合时，调用list.remove(s)方法，控制台输出了预期ConcurrentModificationException异常

5.2 ArrayList中Iterator

本质上返回的是一个Itr实例化对象

public Iterator<E> iterator() {
    return new Itr();
}

ArrayList定义了一个Itr内部类实现了Iterator接口，Itr内部有三个属性。

cursor：代表的是下一个访问的元素下标；

lastRet：代表的是上一个访问元素的下标，默认值为-1；

expectedModCount：代表的是对ArrayList修改的次数，初始值等于modCount

/**
 * An optimized version of AbstractList.Itr
*/
private class Itr implements Iterator<E> {
    int cursor;       // index of next element to return
    int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such
    int expectedModCount = modCount;

    Itr() {}
}

hasNext();

判断是否存在下一个元素，返回值只要cursor下一个元素的下标不等于集合的元素个数size就返回true，其他情况返回false

public boolean hasNext() {
    return cursor != size;
}

next() ;

获取集合中的下一个元素

checkForComodification();

判断modCount与expectedModCount是否相等，不相等抛出ConcurrentModificationException异常

i = cursor；i >= size；i >= elementData.length

判断cursor的大小，如果cursor的值大于集合中元素的个数，抛出NoSuchElementException异常；如果cursor大于了数组的长度抛出ConcurrentModificationException异常。

cursor = i + 1；lastRet = i

如果上述情况均满足，则正常获取下一个元素，cursor和lastRet都自增1

public E next() {
    checkForComodification();
    int i = cursor;
    if (i >= size)
        throw new NoSuchElementException();
    Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
    if (i >= elementData.length)
        throw new ConcurrentModificationException();
    cursor = i + 1;
    return (E) elementData[lastRet = i];
}

final void checkForComodification() {
    if (modCount != expectedModCount)
        throw new ConcurrentModificationException();
}

lastRet < 0；

如果lastRet 小于0，则抛出IllegalStateException异常，由此可以看出，调用remove()之前，必须先调用next()方法重置lastRet的值，否则在lastRet默认值为-1的情况下，对集合中的元素进行移除会直接抛出异常；

checkForComodification()；

判断modCount与expectedModCount是否相等，不相等抛出ConcurrentModificationException异常

ArrayList.this.remove(lastRet);

调用ArrayList的remove方法，移除元素

cursor = lastRet;lastRet = -1;expectedModCount = modCount;

将lastRet的值赋值给cursor，相当于-1；将lastRet 重置为-1；将modCount赋值给expectedModCount

public void remove() {
    if (lastRet < 0)
        throw new IllegalStateException();
    checkForComodification();

    try {
        ArrayList.this.remove(lastRet);
        cursor = lastRet;
        lastRet = -1;
        // 注意这一步非常关键，重新赋值modCount给expectedModCount，是不会出现ConcurrentModificationException异常的关键
        expectedModCount = modCount;
    } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
        throw new ConcurrentModificationException();
    }
}

final void checkForComodification() {
    if (modCount != expectedModCount)
        throw new ConcurrentModificationException();
}

5.3 图解

初始化时Itr中的cursor=0；lastRet=-1；modCount = 4；expectedModCount=4；注意modCount 的值是在调用ArrayList方法的add()方法时进行modCount++;而expectedModCount的值Itr初始化时，默认等于modCount。

当foreach循环到D元素的时候，cursor=2；lastRet=1；modCount = 4；expectedModCount=4；

当调用list.remove(s)移除了元素“D”之后，cursor=2；lastRet=1；modCount = 5；expectedModCount=4；注意此处调用的时ArrayList的remove()方法

由于ArrayList的foreach遍历实质上相当于ArrayList中的Itr迭代，所以在Itr内部类中的next()方法被调用时，checkForComodification()方法中比较modCount 和 expectedModCount的值，发现二者不相等，则抛出ConcurrentModificationException异常！

public E next() {
    // 检查modCount 与 expectedModCount的值是否相等
    checkForComodification();
    int i = cursor;
    if (i >= size)
        throw new NoSuchElementException();
    Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
    if (i >= elementData.length)
        throw new ConcurrentModificationException();
    cursor = i + 1;
    return (E) elementData[lastRet = i];
}
// 检查modCount 与 expectedModCount的值是否相等
final void checkForComodification() {
    // 不相等则抛出ConcurrentModificationException异常
    if (modCount != expectedModCount)
        throw new ConcurrentModificationException();
}

5.4 异常解决

调用Iterator的remove()方法即可

public void remove() {
    // 需要注意的是lastRet<0会直接抛出异常，lastRet在初始化时和移除元素之后会被赋值为-1
    if (lastRet < 0)
        throw new IllegalStateException();
    checkForComodification();

    try {
        ArrayList.this.remove(lastRet);
        cursor = lastRet;
        // 将lastRet重置为-1
        lastRet = -1;
        // 此处会对expectedModCount重新赋值，因而不会出现expectedModCount!=modCount
        expectedModCount = modCount;
    } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
        throw new ConcurrentModificationException();
    }
}