面试必会之ArrayList源码分析&手写ArrayList

Posted 2021-04-05 Java知音

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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和element写入ObjectOutputStream；反序列化时调用readObject()，从ObjectInputStream获取size和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的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。

1. 获取当前数组长度=>oldCapacity

2. oldCapacity>>1 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。

3. 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。

4. 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。

5. 将elementData拷贝到一个新的容量中。

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);
}

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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：

1. 如果集合添加元素成功后，集合中的实际元素个数。

2. 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+0>>1还是0。
如果size是1，则1+1>>1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。

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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。

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：

1. 因为其底层是数组，所以修改和查询效率高。

2. 可自动扩容(1.5倍)。

缺点：

1. 插入和删除效率不高。

2. 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+(1>>1)=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;
    }
}

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