JAVA热点基础大盘点＜深入解析ArraryList＞

Posted 2021-08-15 沉默着忍受

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了JAVA热点基础大盘点＜深入解析ArraryList＞相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

JAVA热点基础大盘点<深入解析ArraryList>（三）

学习了java集合后，你是否一头雾水，不知道一些集合之间的区别和联系，也对如何去使用集合接口而感到困难，不用担心，沉默教你怎么学集合类

文章目录

JAVA热点基础大盘点<深入解析ArraryList>（三）
前言
一、Collection是什么？
二、List下的集合ArrayList
三 System.arraycopy() 和Arrays.copyOf()方法
- 3.1 System.arraycopy() 方法
- 3.2 两者联系和区别
四.自我实现Arrarylist
五.Arrarylist的优点和缺点
- 5.1 Arrarylist的优点
- 5.2 Arrarylist的缺点

前言

在学习Java集合的基础时,我们不得不区分一点的就是，在什么样的情景下去使用什么样的集合。 Java集合中分为两大类。一种是Collection,另一种是Map。这两种集合下面有不同的接口。下面我们先从collection中的list和set进行一个区分
集合简单版视图：

在这里插入图片描述

一、Collection是什么？

该框架下包含了大量的集合接口以及这些接口的实现类和操作他们的算法，例如排序，查找，反转，替换，复制，取最小值，取最大元素等，具体而言主要提供了list列表，Queue队列,set及和Stack栈和Map(映射表)，映射表用于存放键值对等数据结构。其中List,Queue,Set,stack都继承 collection接口。
在这里插入图片描述

二、List下的集合ArrayList

2.1 ArraryList 底层

ArraryList的底层是一个动态的数组，并且在内存中是有序的。

在这里插入图片描述

2.2 ArrayList有三种方式来初始化

/**
     * 默认初始容量大小
     */
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
    
 
    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
 
    /**
     *默认构造函数，使用初始容量10构造一个空列表(无参数构造)
     */
    public ArrayList() {
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
    
    /**
     * 带初始容量参数的构造函数。（用户自己指定容量）
     */
    public ArrayList(int initialCapacity) {
        if (initialCapacity > 0) {//初始容量大于0
            //创建initialCapacity大小的数组
            this.elementData = new Object[initialCapacity];
        } else if (initialCapacity == 0) {//初始容量等于0
            //创建空数组
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        } else {//初始容量小于0，抛出异常
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                               initialCapacity);
        }
    }
 
 
   /**
    *构造包含指定collection元素的列表，这些元素利用该集合的迭代器按顺序返回
    *如果指定的集合为null，throws NullPointerException。 
    */
     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;
        }
    }

细心的同学一定会发现：以无参数构造方法创建 ArrayList 时，实际上初始化赋值的是一个空数组。当真正对数组进行添加元素操作时，才真正分配容量。即向数组中添加第一个元素时，数组容量扩为10。下面在我们分析 ArrayList 扩容时会讲到这一点内容！

2.3 一步一步分析 ArrayList 扩容机制

这里以无参构造函数创建的 ArrayList 为例分析

先来看 add 方法

    /**
     * 将指定的元素追加到此列表的末尾。 
     */
    public boolean add(E e) {
   //添加元素之前，先调用ensureCapacityInternal方法
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        //这里看到ArrayList添加元素的实质就相当于为数组赋值
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }

再来看看 ensureCapacityInternal() 方法
可以看到 add 方法首先调用了ensureCapacityInternal(size + 1)

   //得到最小扩容量
    private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
              // 获取默认的容量和传入参数的较大值
            minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }
 
        ensureExplicitCapacity(minCapacity);
    }

当要 add 进第1个元素时，minCapacity为1，在Math.max()方法比较后，minCapacity 为10。

ensureExplicitCapacity() 方法
如果调用 ensureCapacityInternal() 方法就一定会进过（执行）这个方法，下面我们来研究一下这个方法的源码！


  //判断是否需要扩容
    private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        modCount++;
 
        // overflow-conscious code
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            //调用grow方法进行扩容，调用此方法代表已经开始扩容了
            grow(minCapacity);
    }

我们来仔细分析一下：

当我们要 add 进第1个元素到 ArrayList 时，elementData.length 为0 （因为还是一个空的 list），因为执行了 ensureCapacityInternal() 方法，所以 minCapacity 此时为10。此时，minCapacity - elementData.length > 0 成立，所以会进入 grow(minCapacity) 方法。
当add第2个元素时，minCapacity 为2，此时e lementData.length(容量)在添加第一个元素后扩容成 10 了。此时，minCapacity - elementData.length > 0 不成立，所以不会进入（执行）grow(minCapacity) 方法。
添加第3、4···到第10个元素时，依然不会执行grow方法，数组容量都为10。
直到添加第11个元素，minCapacity(为11)比elementData.length（为10）要大。进入grow方法进行扩容。

grow() 方法

  /**
     * 要分配的最大数组大小
     */
    private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
 
    /**
     * ArrayList扩容的核心方法。
     */
    private void grow(int minCapacity) {
        // oldCapacity为旧容量，newCapacity为新容量
        int oldCapacity = elementData.length;
        //将oldCapacity 右移一位，其效果相当于oldCapacity /2，
        //我们知道位运算的速度远远快于整除运算，整句运算式的结果就是将新容量更新为旧容量的1.5倍，
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        //然后检查新容量是否大于最小需要容量，若还是小于最小需要容量，那么就把最小需要容量当作数组的新容量，
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            newCapacity = minCapacity;
       // 如果新容量大于 MAX_ARRAY_SIZE,进入(执行) `hugeCapacity()` 方法来比较 minCapacity 和 MAX_ARRAY_SIZE，
       //如果minCapacity大于最大容量，则新容量则为`Integer.MAX_VALUE`，否则，新容量大小则为 MAX_ARRAY_SIZE 即为 `Integer.MAX_VALUE - 8`。
        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);
    }

int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1),所以 ArrayList 每次扩容之后容量都会变为原来的 1.5 倍左右（oldCapacity为偶数就是1.5倍，否则是1.5倍左右）！奇偶不同，比如：10+10/2 = 15, 33+33/2=49。如果是奇数的话会丢掉小数.

">>"（移位运算符）：>>1 右移一位相当于除2，右移n位相当于除以 2 的 n 次方。这里 oldCapacity 明显右移了1位所以相当于oldCapacity /2。对于大数据的2进制运算,位移运算符比那些普通运算符的运算要快很多,因为程序仅仅移动一下而已,不去计算,这样提高了效率,节省了资源

我们再来通过例子探究一下grow() 方法：

当add第1个元素时，oldCapacity 为0，经比较后第一个if判断成立，newCapacity = minCapacity(为10)。但是第二个if判断不会成立，即newCapacity 不比 MAX_ARRAY_SIZE大，则不会进入 hugeCapacity 方法。数组容量为10，add方法中 return true,size增为1。
当add第11个元素进入grow方法时，newCapacity为15，比minCapacity（为11）大，第一个if判断不成立。新容量没有大于数组最大size，不会进入hugeCapacity方法。数组容量扩为15，add方法中return true,size增为11。
以此类推······
这里补充一点比较重要，但是容易被忽视掉的知识点：

java 中的 length 属性是针对数组说的,比如说你声明了一个数组,想知道这个数组的长度则用到了 length 这个属性.
java 中的 length() 方法是针对字符串说的,如果想看这个字符串的长度则用到 length() 这个方法.
java 中的 size() 方法是针对泛型集合说的,如果想看这个泛型有多少个元素,就调用此方法来查看!
5. hugeCapacity() 方法。
从上面 grow() 方法源码我们知道：如果新容量大于 MAX_ARRAY_SIZE,进入(执行) hugeCapacity() 方法来比较 minCapacity 和 MAX_ARRAY_SIZE，如果minCapacity大于最大容量，则新容量则为Integer.MAX_VALUE，否则，新容量大小则为 MAX_ARRAY_SIZE 即为 Integer.MAX_VALUE - 8。

   private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
        if (minCapacity < 0) // overflow
            throw new OutOfMemoryError();
        //对minCapacity和MAX_ARRAY_SIZE进行比较
        //若minCapacity大，将Integer.MAX_VALUE作为新数组的大小
        //若MAX_ARRAY_SIZE大，将MAX_ARRAY_SIZE作为新数组的大小
        //MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
        return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
            Integer.MAX_VALUE :
            MAX_ARRAY_SIZE;
    }

三 System.arraycopy() 和Arrays.copyOf()方法

阅读源码的话，我们就会发现 ArrayList 中大量调用了这两个方法。比如：我们上面讲的扩容操作以及add(int index, E element)、toArray() 等方法中都用到了该方法！

3.1 System.arraycopy() 方法

    /**
     * 在此列表中的指定位置插入指定的元素。 
     *先调用 rangeCheckForAdd 对index进行界限检查；然后调用 ensureCapacityInternal 方法保证capacity足够大；
     *再将从index开始之后的所有成员后移一个位置；将element插入index位置；最后size加1。
     */
    public void add(int index, E element) {
        rangeCheckForAdd(index);
 
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        //arraycopy()方法实现数组自己复制自己
        //elementData:源数组;index:源数组中的起始位置;elementData：目标数组；index + 1：目标数组中的起始位置； size - index：要复制的数组元素的数量；
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index);
        elementData[index] = element;
        size++;
    }

我们写一个简单的方法测试以下：

public class ArraycopyTest {
 
	public static void main(String[] args) {
		// TODO Auto-generated method stub
		int[] a = new int[10];
		a[0] = 0;
		a[1] = 1;
		a[2] = 2;
		a[3] = 3;
		System.arraycopy(a, 2, a, 3, 3);
		a[2]=99;
		for (int i = 0; i < a.length; i++) {
			System.out.println(a[i]);
		}
	}
 
}

结果：


0 1 99 2 3 0 0 0 0 0 
3.2 Arrays.copyOf()方法

/**
以正确的顺序返回一个包含此列表中所有元素的数组（从第一个到最后一个元素）; 返回的数组的运行时类型是指定数组的运行时类型。
*/
public Object[] toArray() {
//elementData：要复制的数组；size：要复制的长度
return Arrays.copyOf(elementData, size);
}
个人觉得使用 Arrays.copyOf()方法主要是为了给原有数组扩容，测试代码如下：

public class ArrayscopyOfTest {
 
	public static void main(String[] args) {
		int[] a = new int[3];
		a[0] = 0;
		a[1] = 1;
		a[2] = 2;
		int[] b = Arrays.copyOf(a, 10);
		System.out.println("b.length"+b.length);
	}
}

结果：

3.2 两者联系和区别

联系：

看两者源代码可以发现 copyOf() 内部实际调用了 System.arraycopy() 方法

区别：

arraycopy() 需要目标数组，将原数组拷贝到你自己定义的数组里或者原数组，而且可以选择拷贝的起点和长度以及放入新数组中的位置 copyOf() 是系统自动在内部新建一个数组，并返回该数组。

四 ensureCapacity方法
ArrayList 源码中有一个 ensureCapacity 方法不知道大家注意到没有，这个方法 ArrayList 内部没有被调用过，所以很显然是提供给用户调用的，那么这个方法有什么作用呢？

/**
如有必要，增加此 ArrayList 实例的容量，以确保它至少可以容纳由minimum capacity参数指定的元素数。
 *
 * @param   minCapacity   所需的最小容量
 */
public void ensureCapacity(int minCapacity) {
    int minExpand = (elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)
        // any size if not default element table
        ? 0
        // larger than default for default empty table. It's already
        // supposed to be at default size.
        : DEFAULT_CAPACITY;
 
    if (minCapacity > minExpand) {
        ensureExplicitCapacity(minCapacity);
    }
}

最好在 add 大量元素之前用 ensureCapacity 方法，以减少增量重新分配的次数

我们通过下面的代码实际测试以下这个方法的效果：

public class EnsureCapacityTest {
	public static void main(String[] args) {
		ArrayList<Object> list = new ArrayList<Object>();
		final int N = 10000000;
		long startTime = System.currentTimeMillis();
		for (int i = 0; i < N; i++) {
			list.add(i);
		}
		long endTime = System.currentTimeMillis();
		System.out.println("使用ensureCapacity方法前："+(endTime - startTime));
 
	}
}

运行结果：

使用ensureCapacity方法前：2158

public class EnsureCapacityTest {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<Object> list = new ArrayList<Object>();
        final int N = 10000000;
        list = new ArrayList<Object>();
        long startTime1 = System.currentTimeMillis();
        list.ensureCapacity(N);
        for (int i = 0; i < N; i++) {
            list.add(i);
        }
        long endTime1 = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("使用ensureCapacity方法后："+(endTime1 - startTime1));
    }
}
运行结果：

 
使用ensureCapacity方法前：1773

通过运行结果，我们可以看出向 ArrayList 添加大量元素之前最好先使用ensureCapacity 方法，以减少增量重新分配的次数。

四.自我实现Arrarylist



import java.lang.reflect.Array;
import java.util.Arrays;
import java.util.Iterator;

class MyArraylist<T>{
    public T[] elem;
    public int usedsize;

    public MyArraylist(T[] elem, int usedsize) {
        this.elem = elem;
        this.usedsize = usedsize;
    }

    public MyArraylist() {

        this.elem= (T[]) new Object[5] ;
    }
    public  int Getsize(){
        return this.usedsize;
    }

    public void Add(T data){
        this.elem[this.usedsize]=data;
        this.usedsize++;
    }
//获取ihdex位置的元素
    public T Get(int index){
        if (index>this.usedsize){
            return null;
        }
        return this.elem[index];
    }

    public T Remove(int index){
        if (index>this.usedsize){
            return null;
        }
        T res = this.elem[index];
        for (int i =index;i<usedsize;i++){
            this.elem[i]=this.elem[i+1];
        }
        this.usedsize=this.usedsize-1;
        return res;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "MyArraylist{" +
                "elem=" + Arrays.toString(elem) +
                '}';
    }
}

五.Arrarylist的优点和缺点

5.1 Arrarylist的优点

在相对情况下，其查询和修改比较高效，因为其底层是数组实现，通过数组下标，我们可以精确定位到数据位置。

5.2 Arrarylist的缺点

因为是底层以数组实现，所以在插入数据时相对比较低效，如果插入方式为头插法或尾插法，那么其性能是比较高的，不可以单纯的认为其插入或删除是比较低效的，我们应该视业务情节来考虑问题。

在这里插入图片描述

以上是关于JAVA热点基础大盘点＜深入解析ArraryList＞的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

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