java8 ArrayList源码阅读

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本文基于jdk1.8

JavaCollection库中有三类:List,Queue,Set

其中List,有三个子实现类:ArrayList,Vector,LinkedList

http://hg.openjdk.java.net/jdk8/jdk8/jdk/file/tip/src/share/classes/java/util/ArrayList.java

实现原理

transient Object[] elementData;  // 存放元素的数组
private int size;  // 实际存放元素的数量

ArrayList底层是使用一个Object类型的数组来存放数据的,size变量代表List实际存放元素的数量

add,remove,get,set,contains操作

get和set方法,都是通过数组下标,直接操作数据的,时间复杂度为O(1)

public boolean contains(Object o) {
    return indexOf(o) >= 0;
}

public int indexOf(Object o) {
    // 遍历所有元素找到相同的元素,返回元素的下标,
    // 如果是元素为null,则直接比较地址,否则使用equals的方法比较
    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;
}

add

public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // 扩容检测
    elementData[size++] = e;  //新增元素添加到末尾
    return true;
}

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

    ensureCapacityInternal(size + 1);  // 扩容检测
    // 使用System.arraycopy的方法,将index后面元素往后移动1位
    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                     size - index);
    elementData[index] = element;  // 存放元素到index位置
    size++;
}

remove

public E remove(int index) {
    rangeCheck(index);  //越界检测

    modCount++;
    E oldValue = elementData(index);  //旧值

    int numMoved = size - index - 1;  // 需要移动元素的数量
    if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                         numMoved);
    elementData[--size] = null; // 方便JVM进行GC操作,避免出现泄露

    return oldValue;
}

扩容策略

ArrayList底层是使用数组存储的,当数组大小不足存放新增元素的时候,才会发生扩容。

在add操作中,ArrayList首先会调用ensureCapacityInternal方法进行扩容检测的。

如果数组大小不足,则会自动扩容;如果扩容后的大小超出数组最大的大小,则会抛出异常。

ensureCapacityInternal(size + 1);

ArrayList扩容方案,主要有两个步骤:1.大小检测,2.扩容

  • 大小检测

    • 检测数组大小是否为0,如果是,则使用默认的扩容大小10
    • 检测是否需要扩容,只有当数组最小需要容量大小大于当前数组大小时,才会进行扩容
  • 扩容:grow和hugeCapacity
    • 进行数组越界判断
    • 拷贝原始数据到新的数组中
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    // 通过ArrayList<Integer> a = new ArrayList<Integer>()或者通过序列化读取,元素大小为0时,底层数组才会为null数组
    // 如果底层数组大小为0,则使用默认的容量大小10
    if (elementData == EMPTY_ELEMENTDATA) {
        minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }

    ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    // 数据结构发生改变,和fail-fast机制有关,在使用迭代器过程中,只能通过迭代器的方法(比如迭代器中add,remove等),修改List的数据结构,
    // 如果使用List的方法(比如List中的add,remove等),修改List的数据结构,会抛出ConcurrentModificationException
    modCount++;  

    // 当前数组容量大小不足时,才会调用grow方法,自动扩容
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);
}

private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

private void grow(int minCapacity) {
    // overflow-conscious code
    int oldCapacity = elementData.length;
    // 新的容量大小 = 原容量大小的1.5倍
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    if (newCapacity - minCapacity < 0) //溢出判断,比如minCapacity = Integer.MAX_VALUE / 2, oldCapacity = minCapacity - 1
        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;
}

fail-fast机制的实现

fail-fast机制也叫作”快速失败”机制,是Java集合中的一种错误检测机制。

在对集合进行迭代过程中,除了迭代器可以对集合进行数据结构上进行修改,其他的对集合的数据结构进行修改,都会抛出ConcurrentModificationException错误。

这里,所谓的进行数据结构上进行修改,是指对存储的对象,进行add,set,remove操作,进而对数据发生改变。

ArrayList中,有个modCount的变量,每次进行add,set,remove等操作,都会执行modCount++。

在获取ArrayList的迭代器时,会将ArrayList中的modCount保存在迭代中,

每次执行add,set,remove等操作,都会执行一次检查,调用checkForComodification方法,对modCount进行比较。

如果迭代器中的modCount和List中的modCount不同,则抛出ConcurrentModificationException

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

使用场景

ArrayList的使用场景主要从其优缺点来考虑的:

优点:

get,set,时间复杂度为O(1)

add(一般都是在末尾插入),时间复杂度为O(1),最差情况下(往头部插入数据),时间复杂度O(n)

数据存储是顺序的

缺点:

remove,时间复杂度为O(n),最优情况下(移除末尾元素),时间复杂度为O(1)

ArrayList底层使用数组存储数据,数组是不能自动扩容的,因此在发生扩容的情况下,需要移动大量的元素。

ArrayList大小很大的时候,会存在空间浪费(可以通过trimToSize方法,清除空闲空间)

数组大小是由限制的,受jvm和机器的影响,当扩容超出上限时,ArrayList会抛出异常

插入操作多,数据量不大,顺序存储时,可以考虑使用ArrayList

多线程情况下:

ArrayList所有的操作,都不是同步的,因此ArrayList不是线程安全的。

如果考虑到线程安全的话,可以使用CopyOnWriteArrayList或者外部同步ArrayList(List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList(…));)

思考

1.remove方法中,为什么会将数组对应的元素置为null?

ArrayList内部使用数组实现一套管理对象的机制,remove操作中,已经将元素的数量-1了,ArrayList认为该对象已经被移除了,应该被jvm回收。

但是,对于jvm来说,该值仍然保存在数组中,ArrayList持有这个对象的引用,在jvm发生GC时,这个对象是不对被jvm回收,这样就会造成内存泄露了。

2.查找元素的方法中(比如indexOf),为什么需要对元素进行null值判断?

判断对象是否相等,有两个方面,1.对象存储的地址;2.对象的内容。

==,是用来比较两个对象的地址是否相等,一般来说,两个对象的地址相同,那么这两个对象可以认为是相同的对象

equals方法,是用来比较对象内容的,当然,也可以重载该方法,直接比较对象地址;Object对象的equals方法,是比较地址的。

一般来说,重载equals方法的同时,也要重载hashCode方法的,重载hashCode方法,必须得遵守6个原则:

  • 自反性:对于任何非null的引用值x,x.equals(x),必须返回true
  • 传递性:对于任何非null的引用值x,y,z,如果x.equals(y) 为true,且y.equals(z)为true,那么x.equals(z)必须为true
  • 对称性:对于任何非null的引用值x,y,如果x.equals(y)为true,那么y.equals(x)必须为true
  • 非空性:对于任何非null的引用值x,x.equals(null)必须为false
  • 一致性:对于任何非null的引用值x,y,如果多次调用equals方法,如果x和y比较的值没有改变,那么x.equals(y)就会一致性返回true或者false

为什么重载equals方法,一般要重载hashCode方法?

重载equals方法,可以不重载hashCode方法,但是一般情况,不建议这么做。

hashCode方法,使用来求出对象的Hash值,

重载hashCode方法主要是为了提高一些容器(比如HashMap,Hashtable)进行hash运算的效率,而且也可以避免出现一些错误(比如HashSet容器的操作)

对于元素进行null值判断,我认为主要是为了效率考虑,如果是null值的话,可以直接比较地址,而非空值,则需要通过equals方法来比较,由于ArrayList是泛型的,

所以其添加的元素,可能重载equals方法,自定义了判断的原则。

3.grow方法中,对新容量大小进行判断,为什么会定义MAX_ARRAY_SIZE的?

ArrayList底层存储是使用数组来实现的,所以ArrayList存储文件的大小必定受数组大小的限制,所以在扩容中,可以看到ArrayList对新容量大小进行逻辑判断。

影响数组最大值:

  • 理论上最大值为Integer.MAX_VALUE(2^32 - 1)
  • 对象头限制,不同类型的元素,可创建数组的最大值是不同的,byte是1字节,int是4字节

    比如jvm可用内存为1M,32位机器下,

      

    int[] bytes = new int[1024 * 1024 / 4];
    byte[] bytes = new byte[1024 * 1024];
  • jvm可用内存大小限制

    比如jvm可用内存为1M,32位机器下,

    byte[] bytes = byte[1024 * 1024]

至于为什么MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

主要是在64为机器中,对象的

时间: 2024-10-12 12:26:20

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