Android Gems - Java源码分析之List

Posted 2022-11-21 threepigs

最近突发奇想，写个Java源码分析系列。开发过程中，总会使用各种类库，如ArrayList，LinkedList等，用得虽多，但对于其实现细节却了解甚少，所以专卖开辟个系列，从源码的角度分析一下各种Java类库的实现细节。就先从最简单的List入手。

List是给接口，其继承自Collection<?>，标准接口咱就不说了，List的实现有两个，ArrayList和LinkedList，前者是数组实现，后者是链表。

ArrayList只有两个成员变量array，size。array是个Object[] 表示List的元素数组，size是元素个数，这里可能有人要问，Object[]不是自带length吗，为什么还需要个size呢？这是为了提高ArrayList的add性能，数组的内存空间会比实际List的元素的个数大，这样在add的时候，不用每次都重新分配内存，并进行arraycopy。

   @Override 
    public boolean add(E object) 
        Object[] a = array;
        int s = size;
        if (s == a.length) 
            Object[] newArray = new Object[s +
                    (s < (MIN_CAPACITY_INCREMENT / 2) ?
                     MIN_CAPACITY_INCREMENT : s >> 1)];
            System.arraycopy(a, 0, newArray, 0, s);
            array = a = newArray;
        
        a[s] = object;
        size = s + 1;
        modCount++;
        return true;
    

以上就是ArrayList的add函数源码，如果当前的元素的个数已经达到数组内存的大小，那么当前这个待add的object就没有空间了，所以需要扩容，ArrayList的扩容的算法是当前的size 的 2倍，为了避免元素少的时候增长太慢，于是设置了一个最小的扩容值12（MIN_CAPACITY_INCREMENT），也就是说如果当前size如果是1的话，那么ArrayList add之后，array的内存大小就扩大到12，而不是1 × 2。这是add到最后的情况，那么如果是add到某个指定位置 add(int index, E object)呢？

   @Override 
    public void add(int index, E object) 
        Object[] a = array;
        int s = size;
        if (index > s || index < 0) 
            throwIndexOutOfBoundsException(index, s);
        

        if (s < a.length) 
            System.arraycopy(a, index, a, index + 1, s - index);
         else 
            // assert s == a.length;
            Object[] newArray = new Object[newCapacity(s)];
            System.arraycopy(a, 0, newArray, 0, index);
            System.arraycopy(a, index, newArray, index + 1, s - index);
            array = a = newArray;
        
        a[index] = object;
        size = s + 1;
        modCount++;
    

从上面的代码可以看出，如果当前元素的size还未达到内存的上限（s < a.length），那么要做的就是arraycopy，其时间复杂度可是O(n)，越往前插越慢。而如果当前元素的size达到上限，那么先需要扩容，然后再挪内存。由此看来，如果你的需求有很多的往数组中间插入的操作，那么ArrayList的性能会比较差，应尽量避免这种操作。

这是add单个元素的情况，对于addAll添加一个数组的情况也是一样的逻辑，添加之后元素的个数是newSize = s + newPartSize，如果newSize没有超过内存上限，就只需要arrayCopy先挪内存元素，以便新的Collection的元素都能插入进来。否则先扩容，新的size为newCapacity函数给出，这时候的算法并不是翻倍，而是newSize的基础上增加50%，这主要是避免扩容扩太快。

    @Override
    public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> collection) 
        int s = size;
        if (index > s || index < 0) 
            throwIndexOutOfBoundsException(index, s);
        
        Object[] newPart = collection.toArray();
        int newPartSize = newPart.length;
        if (newPartSize == 0) 
            return false;
        
        Object[] a = array;
        int newSize = s + newPartSize; // If add overflows, arraycopy will fail
        if (newSize <= a.length) 
             System.arraycopy(a, index, a, index + newPartSize, s - index);
         else 
            int newCapacity = newCapacity(newSize - 1);  // ~33% growth room
            Object[] newArray = new Object[newCapacity];
            System.arraycopy(a, 0, newArray, 0, index);
            System.arraycopy(a, index, newArray, index + newPartSize, s-index);
            array = a = newArray;
        
        System.arraycopy(newPart, 0, a, index, newPartSize);
        size = newSize;
        modCount++;
        return true;
    
    private static int newCapacity(int currentCapacity) 
        int increment = (currentCapacity < (MIN_CAPACITY_INCREMENT / 2) ?
                MIN_CAPACITY_INCREMENT : currentCapacity >> 1);
        return currentCapacity + increment;
    

可见ArrayList的容量是动态扩展的，有时为了避免扩容造成的性能损失，可以先调用ensureCapacity来提前分配内存，这种方法主要适用于对自己未来的内存占用量有个提前预估。

以上是add的情况，remove的操作则会更加简单一些，remove由于内存没有扩容，因此和add比，没有扩容部门，只有挪元素部分。

    @Override 
    public E remove(int index) 
        Object[] a = array;
        int s = size;
        if (index >= s) 
            throwIndexOutOfBoundsException(index, s);
        
        @SuppressWarnings("unchecked") E result = (E) a[index];
        System.arraycopy(a, index + 1, a, index, --s - index);
        a[s] = null;  // Prevent memory leak
        size = s;
        modCount++;
        return result;
    

先把[index + 1, s)的元素前移。a[s] = null的目的是避免hold住前移之前的最后一个元素的对象，从而后续造成内存泄漏。同理，ArrayList的clear函数，除了只把size置0之外，还需要把array的元素置空，从这个角度看，clear的时间复杂度其实是O(n)的。

以上便是ArrayList的实现细节，是不是很简单。

LinkedList是链表实现的，他也有两个成员变量，voidLink，size。voidLink是个Link对象，表示链表的表头，size则是元素大小，size的目的主要是优化LinkedList.size函数，不用每次都遍历链表来数个数。

LinkedList的Link是个双链表，有next也有previous，双链表比单链表好处是删除方便，单链表的删除需要找到他的previous，不好的地方就是多了一个previous对象，多占了内存。LinkedList的链表还是个循环列表，voidLink表头的previous是指向最后一个元素的，目的是了add操作，链表没法随机访问，如果不是循环链表的话，那么就需要遍历整个链表，找到最后一个节点，才能插入。

我们看一下LinkedList的几个基本函数：

    @Override
    public E get(int location) 
        if (location >= 0 && location < size) 
            Link<E> link = voidLink;
            if (location < (size / 2)) 
                for (int i = 0; i <= location; i++) 
                    link = link.next;
                
             else 
                for (int i = size; i > location; i--) 
                    link = link.previous;
                
            
            return link.data;
        
        throw new IndexOutOfBoundsException();
    

get函数是随机访问，这个不是链表的长处。如果是前半部分，那么就从表头开始往后找，如果是后半部分，就从表头往前找。所以如果你的使用场景是随机访问比较多的话，建议用ArrayList，而不是LinkedList，LinkedList适合那种插入操作比较多的场景。另外一个注意的地方就是，遍历的时候，LinkedList千万别用for + get实现，这样复杂度非常高，需要用iterator来实现。

    @Override
    public boolean add(E object) 
        return addLastImpl(object);
    

    private boolean addLastImpl(E object) 
        Link<E> oldLast = voidLink.previous;
        Link<E> newLink = new Link<E>(object, oldLast, voidLink);
        voidLink.previous = newLink;
        oldLast.next = newLink;
        size++;
        modCount++;
        return true;
    

这是LinkedList添加元素到最后的实现，链表很方便，O(1)，同理addFirst也一样。往中间插就不一样了，如下，需要先找到location所在的节点。虽然都是O(n)，但LinkedList这个复杂度比ArrayList的System.arraycopy要高，ArrayList挪内存用的arraycopy是native实现的，并且是连续内存，是有优化的。

    @Override
    public void add(int location, E object) 
        if (location >= 0 && location <= size) 
            Link<E> link = voidLink;
            if (location < (size / 2)) 
                for (int i = 0; i <= location; i++) 
                    link = link.next;
                
             else 
                for (int i = size; i > location; i--) 
                    link = link.previous;
                
            
            Link<E> previous = link.previous;
            Link<E> newLink = new Link<E>(object, previous, link);
            previous.next = newLink;
            link.previous = newLink;
            size++;
            modCount++;
         else 
            throw new IndexOutOfBoundsException();
        
    

LinkedList的remove需要先找到节点，比如remove(int location)，需要先找到这个元素，然后删除。remove(Object object)也是一样的，两种case都是随机删除，这都不是LinkedList擅长的，如果如果你的使用场景，如果是这种随机插入、删除的场景特别多的话，那么LinkedList是不适合的。

    @Override
    public E remove(int location) 
        if (location >= 0 && location < size) 
            Link<E> link = voidLink;
            if (location < (size / 2)) 
                for (int i = 0; i <= location; i++) 
                    link = link.next;
                
             else 
                for (int i = size; i > location; i--) 
                    link = link.previous;
                
            
            Link<E> previous = link.previous;
            Link<E> next = link.next;
            previous.next = next;
            next.previous = previous;
            size--;
            modCount++;
            return link.data;
        
        throw new IndexOutOfBoundsException();
    

细心的读者可能发现了，不管是ArrayList还是LinkedList都有一个modCount字段，这个是用来干什么的呢？

LinkedList和ArrayList都不是线程安全的，modCount在每次元素有改动的时候都会++，这个就是为了检查是否有改动，而使用的地方就是在Iterator里，不管是ArrayList还是ArrayList都实现自己的Iterator，用来遍历数组的元素。在每次Interator实例化的时候，也就是准备遍历数组元素的时候，都会保存当前的modCount到迭代器的expectedModCount字段，然后在做遍历操作的时候，会检查expectedModCount和modCount的值，如果这个值不一样，就说明有其他线程在这次遍历期间，对List的元素做过改动，就会抛出ConcurrentModificationException异常，用来提示多线程竞争了。ConcurrentModificationException是不是很熟悉，如果你遇到这个异常，就说明在多个线程里对一个线程不安全的容器做了改动，很可能会造成数据的不一致，不止是ArrayList、LinkedList，HashMap、Hashtable都一样，都是在使用了迭代器的时候会碰到这个异常。

作者简介：

田力，网易彩票Android端创始人，小米视频创始人，现任roobo技术经理、视频云技术总监

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