当年学长把这份Java总结给我，让我普通二本校招拿到22K

Posted 2021-10-04 Java程序鱼

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前言

为什么要学习JDK源码？
各种各样的系统或者技术，最底层、最最核心的一块，其实都是集合（在内存里面存放数据）、并发（分布式系统，底层都会开多个线程，并发的处理一些东西，这里会涉及到一些锁，同步，等等）、IO（读写磁盘上的文件里的数据，发起网络IO，通过网络读写数据）、网络（如何在分布式系统中，各个机器建立网络连接，互相发送请求进行通信），本期先给大家分享集合源码。

一、List

List 是有序的 Collection

List中的元素是有序的、可重复的，主要实现方式有动态数组和链表。

java中提供的List的实现主要有ArrayList、LinkedList、CopyOnWriteArrayList，另外还有两个古老的类Vector和Stack。

1.ArrayList

ArrayList实现了List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable等接口。
ArrayList实现了List，提供了基础的添加、删除、遍历等操作。
ArrayList实现了RandomAccess，提供了随机访问的能力。
ArrayList实现了Cloneable，可以被克隆。
ArrayList实现了Serializable，可以被序列化。
AbstractCollection：主要实现了toString()、toArray()、contains()
AbstractList：主要实现了equals()、hashCode()

缺点：
①数组长度固定，java里面数组都是定长数组，比如数组大小设置为100，此时你不停的往ArrayList里面塞入这个数据，此时元素数量超过了100以后，此时就会发生一个数组的扩容，就会搞一个更大的数组，把以前的数组拷贝到新的数组里面去，这个数组扩容+元素拷贝的过程，相对来说会慢一些
②中间插入慢，数组来实现，数组你要是往数组的中间加一个元素，要把数组中那个新增元素后面的元素全部往后面挪动一位，所以说，如果你是往ArrayList中间插入一个元素，性能比较差，会导致他后面的大量的元素挪动一个位置

优点：
①支持随机访问，通过索引访问元素极快，时间复杂度为O(1)

核心参数：

/**
* 默认容量
*/
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

/**
* 空数组，如果传入的容量为0时使用

*/
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

/**
* 空数组，传传入容量时使用，添加第一个元素的时候会重新初始为默认容量大小
*/
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

/**
* 存储元素的数组
*/
transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access

/**
* 集合中元素的个数
*/
private int size;

（1）DEFAULT_CAPACITY 默认容量为10，也就是通过new ArrayList()创建时的默认容量。
（2）EMPTY_ELEMENTDATA 空的数组，这种是通过new ArrayList(0)创建时用的是这个空数组。
（3）DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 也是空数组，这种是通过new ArrayList()创建时用的是这个空数组，与EMPTY_ELEMENTDATA的区别是在添加第一个元素时使用这个空数组的会初始化为DEFAULT_CAPACITY（10）个元素。
（4）elementData 真正存放元素的地方，使用transient是为了不序列化这个字段。至于没有使用private修饰，后面注释是写的“为了简化嵌套类的访问”，但是楼主实测加了private嵌套类一样可以访问。 private表示是类私有的属性，只要是在这个类内部都可以访问，嵌套类或者内部类也是在类的内部，所以也可以访问类的私有成员。
（5）size 真正存储元素的个数，而不是elementData数组的长度。

核心方法：

构造器

（1）不传初始容量，初始化为DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA空数组，会在添加第一个元素的时候扩容为默认的大小，即10。

public ArrayList() {
      // 如果没有传入初始容量，则使用空数组DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
      // 使用这个数组是在添加第一个元素的时候会扩容到默认大小10
      this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

（2）ArrayList(int initialCapacity)构造方法，传入初始容量，如果大于0就初始化elementData为对应大小，如果等于0就使用EMPTY_ELEMENTDATA空数组，如果小于0抛出异常

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);
       }
}

DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 也是空数组，这种是通过new ArrayList()创建时用的是这个空数组，与EMPTY_ELEMENTDATA的区别是在添加第一个元素时使用这个空数组的会初始化为DEFAULT_CAPACITY（10）个元素。

（3）ArrayList(Collection c)构造方法

传入集合并初始化elementData，这里会使用拷贝把传入集合的元素拷贝到elementData数组中，如果元素个数为0，则初始化为EMPTY_ELEMENTDATA空数组。

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;
        }
}

根据业务预测初始化的数组的大小，避免数组太小，往里面塞入数据的时候，导致数据不断的扩容，不断的搞新的数组

add()

（1）默认添加

添加元素到size+1位置，平均时间复杂度为O(1)。

public boolean add(E e) {
       // 检查是否需要扩容
       ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
       // 把元素插入到最后一位
       elementData[size++] = e;
       return true;
}

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;
}

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

        // 判断是否需要扩容：size + 1 - 当前数组长度 > 0时扩容
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
}

补充：当前数组长度10，添加第11个元素时才扩容

private void grow(int minCapacity) {
        // overflow-conscious code
        int oldCapacity = elementData.length;
        // 新容量是老容量的1.5倍（oldCapacity + (oldCapacity >> 1)）
        // 老的大小 + 老的大小 >> 1（相当于除以2）
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        // 如果加了这么多容量发现比需要的容量还小，则以需要的容量为准
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            newCapacity = minCapacity;
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
        // 创建新容量的数组并把老数组拷贝到新数组
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

补充：空参构造器，第一次初始化时，就需要以需要的容量为准，因为0+(0>>1)=0

（2）添加到指定位置

public void add(int index, E element) {
        rangeCheckForAdd(index);

        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        // 把插入索引位置后的元素都往后挪一位
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                         size - index);
        // 在插入索引位置放置插入的元素
        elementData[index] = element;
        size++;
}

addAll()

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;

}

①将集合C转化为数组a
②获取数组a长度
③判断是否需要扩容

get()

获取指定索引位置的元素，时间复杂度为O(1)。

public E get(int index) {

    rangeCheck(index);
    return elementData(index);

}

private void rangeCheck(int index) {

    if (index >= size)

        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));

}

E elementData(int index) {

    return (E) elementData[index];

}

remove()

（1）通过索引删除
删除指定索引位置的元素，时间复杂度为O(n)。

public E remove(int index) {

    rangeCheck(index);
    modCount++;

    E oldValue = elementData(index);

    int numMoved = size - index - 1;

    // 如果index不是最后一位，则将index之后的元素往前挪一位
    if (numMoved > 0)

        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,

                         numMoved);

    // 将最后一个元素删除，帮助GC
    elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work

    return oldValue;

}

private void rangeCheck(int index) {

    if (index < 0 || index >= this.size)

        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));

}

（2）通过元素删除

删除指定元素值的元素，时间复杂度为O(n)。

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;

}

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

}

①找到第一个等于指定元素值的元素；
②快速删除；

fastRemove(int index)相对于remove(int index)少了检查索引越界的操作，可见jdk将性能优化到极致。

6.迭代器

private class Itr implements Iterator<E> {

    ...
}
private class ListItr extends Itr implements ListIterator<E> {

    ...
}

ListItr继承了Itr和ListIterator，ListIterator有插入和修改删除方法，同时还具有向前遍历的方法，所以ListIterator就具备了增删改查的功能，比Itr的功能更加齐全

快速失败机制

假设存在两个线程（线程1、线程2），线程1通过Iterator在遍历集合A中的元素，在某个时候线程2修改了集合A的结构（是结构上面的修改，而不是简单的修改集合元素的内容），那么这个时候程序就会抛出 ConcurrentModificationException 异常，从而产生fail-fast。

检查modCount标识符

final void checkForComodification() {

    if (modCount != expectedModCount)

        throw new ConcurrentModificationException();

}

无论是add()、remove()，还是clear()，只要涉及到修改集合中的元素个数时，都会改变modCount的值（都是modCount+1）。

ArrayList的Iterator实现类中调用next()时，会“调用checkForComodification()比较‘expectedModCount’和‘modCount’的大小”；但是，CopyOnWriteArrayList的Iterator实现类中，没有所谓的checkForComodification()，更不会抛出ConcurrentModificationException异常！

ArrayList如何把元素序列化？

elementData设置成了transient，那ArrayList是怎么把元素序列化的呢？

一般地，只要实现了Serializable接口即可自动序列化，writeObject()和readObject()是为了自己控制序列化的方式，这两个方法必须声明为private，在java.io.ObjectStreamClass#getPrivateMethod()方法中通过反射获取到writeObject()这个方法。（用户自定义的 writeObject 和 readObject 方法可以允许用户控制序列化的过程）

Serializable：一个对象序列化的接口，一个类只有实现了Serializable接口，它的对象才是可序列化的。
Serializeble的作用仅仅是一个标识这个类是可序列化的

什么情况下需要序列化？（应用场景）
①将内存对象保存到磁盘中或数据库中（持久化）。
②最常见的用法，web客服端连接服务器的时候，假如连接的客服端比较多，这时服务端压力比较大（内存不足），为了解决这些问题，把一些Session序列化，存入硬盘用的时候拿出来。
③在跨平台环境下，通过网络传输对象的时候需要序列化，例如WebService SOAP

transient：表示方法和属性等成员变量是透明的，不参与序列化。
static：静态变量不能序列化

什么是序列化和反序列化？
序列化机制：将内存Java 对象通过字节输出流写入硬盘（大部分是乱码，因为是二进制）。
反序列化机制：通过字节输入流从硬盘中文件中把对象读到内存中。（字节序列转换成Java对象）
为什么要有序列号？

如果没有给序列号，会根据属性和方法算出序列号，若属性和方法改变会报错，因为序列号不同，若加了序列号，可以添删属性，改变toString都不会报错
elementData定义为transient的优势，自己根据size序列化真实的元素，而不是根据数组的长度序列化元素，减少了空间占用。

总结：
（1）ArrayList内部使用数组存储元素，当数组长度不够时进行扩容，每次加一半的空间，ArrayList不会进行缩容；
（2）ArrayList支持随机访问，通过索引访问元素极快，时间复杂度为O(1)；
（3）ArrayList添加元素到尾部极快，平均时间复杂度为O(1)；
（4）ArrayList添加元素到中间比较慢，因为要搬移元素，平均时间复杂度为O(n)；
（5）ArrayList从尾部删除元素极快，时间复杂度为O(1)；
（6）ArrayList从中间删除元素比较慢，因为要搬移元素，平均时间复杂度为O(n)；

2.LinkedList

LinkedList是一个以双向链表实现的List，它除了作为List使用，还可以作为队列或者栈来使用

ArrayList+Deque

因为ArrayList代表了List的典型实现，LInkedList代表了Deque的典型实现，同时LinkedList也实现了List，通过这两个类一首一尾正好可以把整个集合贯穿起来。

优点：
①插入性能高，不管是从末尾插入还是中间插入

缺点：
随机读性能差，例如LinkedList.get(10)，这种操作，性能就很低，因为他需要遍历这个链表，从头开始遍历这个链表，直到找到index = 10的这个元素为止

使用场景

（1）ArrayList：一般场景，都是用ArrayList来代表一个集合，只要别频繁的往里面插入和灌入大量的元素就可以了，遍历，或者随机查，都可以

（2）LinkedList：适合，频繁的在list中插入和删除某个元素，然后尤其是LinkedList他其实是可以当做队列来用的，这个东西的话呢，我们后面看源码的时候，可以来看一下，先进先出，在list尾部怼进去一个元素，从头部拿出来一个元素。如果要在内存里实现一个基本的队列的话，可以用LinkedList

我们之前在电商系统开发的时候，在第一个版本中，用到了内存队列，用的就是LinkedList，他里面基于链表实现，天然就可以做队列的数据结构，先进先出，链表来实现，特别适合频繁的在里面插入元素什么的，也不会导致数组扩容

其实在工作中使用的时候，都是用的是java并发包下面的一些线程安全的集合，这个东西等到讲java并发包的时候，我们可以再来看一下

LinkedList作为队列使用
offer()，就是在队列尾部入队，将一个元素插入队列尾部
poll()，从队列头部出队
peek()，获取队列头部的元素，但是头部的元素不出队
offerFirst()
offerLast()

双向链表数据结构

item是元素
prev、next是指针

插入元素的原理

（1）尾部插入

add()，默认就是在队列的尾部插入一个元素，在那个双向链表的尾部插入一个元素
addLast()，跟add()方法是一样的，也是在尾部插入一个元素

public boolean add(E e) {
     linkLast(e);
     return true;
}

void linkLast(E e) {
        final Node<E> l = last;
        final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
        last = newNode;
        if (l == null)
            first = newNode;
        else
            l.next = newNode;
        size++;
        modCount++;
}

（2）队列中间插入

add(index, element)，是在队列的中间插入一个元素

public void add(int index, E element) {
        checkPositionIndex(index);

        if (index == size)
            linkLast(element);
        else
            linkBefore(element, node(index));
}

void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
        // assert succ != null;
        final Node<E> pred = succ.prev;
        final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
        succ.prev = newNode;
        if (pred == null)
            first = newNode;
        else
            pred.next = newNode;
        size++;
        modCount++;
}

Node<E> node(int index) {
        // assert isElementIndex(index);

        if (index < (size >> 1)) {
            Node<E> x = first;
            for (int i = 0; i < index; i++)
                x = x.next;
            return x;
        } else {
            Node<E> x = last;
            for (int i = size - 1; i > index; i--)
                x = x.prev;
            return x;
        }
}

（3）头部插入

addFirst()，在队列的头部插入一个元素

public void addFirst(E e) {
     linkFirst(e);
}

private void linkFirst(E e) {
        final Node<E> f = first;
        final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
        first = newNode;
        if (f == null)
            last = newNode;以上是关于当年学长把这份Java总结给我，让我普通二本校招拿到22K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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