JAVA基础 JAVA集合

ArrayList源码分析

王守钰 2020-02-27 11:02:48

ArrayList的继承体系

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主要属性

// 默认的容量
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
// 空数组，如果传入的容量为0的时候使用
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 = {};
// 元素存储数据
transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
// 元素的个数
private int size;

构造方法

// 初始化容量的构造方法
public ArrayList(int initialCapacity) {
    // 容量大于0，新创建个数组
    if (initialCapacity > 0) {
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
    // 容量等于0，创建个空数组
    } else if (initialCapacity == 0) {
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    // 小于0抛出异常
    } else {
        throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                           initialCapacity);
    }
}
// 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
public ArrayList() {
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
// 添加元素集合构造方法
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
    // 集合转数组
    elementData = c.toArray();
    // 设置数组的长度，判断是否为0
    // 不为0，拷贝数组
    // 为0，设置空数组
    if ((size = elementData.length) != 0) {
        // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
        // 检查c.toArray()返回的是不是Object[]类型，如果不是，重新拷贝成Object[].class类型
        if (elementData.getClass() != Object[].class)
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
    } else {
        // replace with empty array.
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
}

为什么c.toArray();返回的有可能不是Object[]类型呢？

public class ArrayTest {
    public static void main(String[] args) {
        Father[] fathers = new Son[]{};
        // 打印结果为class [Lcom.coolcoding.code.Son;
        System.out.println(fathers.getClass());

        List<String> strList = new MyList();
        // 打印结果为class [Ljava.lang.String;
        System.out.println(strList.toArray().getClass());
    }
}

class Father {}

class Son extends Father {}

class MyList extends ArrayList<String> {
    /**
     * 子类重写父类的方法，返回值可以不一样
     * 但这里只能用数组类型，换成Object就不行
     * 应该算是java本身的bug
     */
    @Override
    public String[] toArray() {
        // 为了方便举例直接写死
        return new String[]{"1", "2", "3"};
    }
}

添加元素

添加元素到末尾，平均时间复杂度为O(1)。

// 添加元素
public boolean add(E e) {
    // 检查是否需要扩容
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    // 元素个数+1，设置数组位置为插入元素
    elementData[size++] = e;
    return true;
}
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}

private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
    // 判断数组是否为默认的空输入
    // 默认的空数组设置容量为默认的capacity大小
    // 否则返回size+1
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    return minCapacity;
}

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    // 操作次数+1
    modCount++;
    
    // overflow-conscious code
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        // 扩容
        grow(minCapacity);
}
private void grow(int minCapacity) {
    // overflow-conscious code
    // 数组长度
    int oldCapacity = elementData.length;
    // 容量大小 = 原数组长度 + 原数组长度的0.5倍
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    // 如果新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;
    // 如果新容量发现比最大容量还大，则使用最大容量
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    // 拷贝出来原有的数据
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

添加元素到指定位置

public void add(int index, E element) {
    // 判断是否越界
    rangeCheckForAdd(index);
    // 扩容
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    // 将index及之后的元素，向后挪1位
    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                     size - index);
    // 设置添加数据位置
    elementData[index] = element;
    // 数组大小+1
    size++;
}
// 校验是否越界
private void rangeCheckForAdd(int index) {
    if (index > size || index < 0)
        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}

添加集合

public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
    // 集合转为数组
    Object[] a = c.toArray();
    // 添加集合长度
    int numNew = a.length;
    // 扩容
    ensureCapacityInternal(size + numNew);  // Increments modCount
    // 从尾部进行拷贝
    System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
    // 数组长度+添加集合长度
    size += numNew;
    // 返回添加集合是否长度为0
    return numNew != 0;
}

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) {
    // 判断数组是否越界
    rangeCheck(index);
    // 返回数组第index个元素
    return elementData(index);
}
E elementData(int index) {
    return (E) elementData[index];
}

remove

删除指定索引位置的元素，时间复杂度为O(n)。

public E remove(int index) {
    // 检查是否越界
    rangeCheck(index);
    // 操作次数+1
    modCount++;
    // 获取数组
    E oldValue = elementData(index);

    int numMoved = size - index - 1;
    // 判断删除的元素是否是最后一个
    // 不是，把index之后的元素向前移动一位
    // 是，设置size-- 最后一位为null，协助GC
    if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                         numMoved);
    elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
    // 返回原数据
    return oldValue;
}

指定元素删除

删除指定元素值的元素，时间复杂度为O(n)。

public boolean remove(Object o) {
    // 判断元素是否为空
    // 为空遍历找出第一个为null的元素，并将其快速删除
    if (o == null) {
        for (int index = 0; index < size; index++)
            if (elementData[index] == null) {
                fastRemove(index);
                return true;
            }
    } else {
    // 不为空，遍历整个数组找到元素快速删除
        for (int index = 0; index < size; index++)
            if (o.equals(elementData[index])) {
                fastRemove(index);
                return true;
            }
    }
    return false;
}
// 快速删除
private void fastRemove(int index) {
    // 操作次数+1
    modCount++;
    int numMoved = size - index - 1;
    // 判断是否最后一位
    // 不是最后一位，进行将index后的数据向前移动一位
    if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                         numMoved);
    // size-1 设置最后一位元素为空，协助GC
    elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
}

retainAll

// 求两个集合的交集
public boolean retainAll(Collection<?> c) {
    // 判断是否为空
    Objects.requireNonNull(c);
    // 批量删除
    return batchRemove(c, true);
}
private boolean batchRemove(Collection<?> c, boolean complement) {
    // 当前集合数组元素
    final Object[] elementData = this.elementData;
    int r = 0, w = 0;
    boolean modified = false;
    try {
        // 遍历整个数组，如果c中包含该元素，则把该元素放到写指针的位置（以complement为准）
        for (; r < size; r++)
            if (c.contains(elementData[r]) == complement)
                elementData[w++] = elementData[r];
    } finally {
        // Preserve behavioral compatibility with AbstractCollection,
        // even if c.contains() throws.
        // 正常来说r最后是等于size的，除非c.contains()抛出了异常
        if (r != size) {
            // 如果c.contains()抛出了异常，则把未读的元素都拷贝到写指针之后
            System.arraycopy(elementData, r,
                             elementData, w,
                             size - r);
            w += size - r;
        }
        if (w != size) {
            // clear to let GC do its work
            // 将写指针之后的元素置为空，帮助GC
            for (int i = w; i < size; i++)
                elementData[i] = null;
            modCount += size - w;
            // 设置数组长度
            size = w;
            // 设置修改状态
            modified = true;
        }
    }
    // 有修改返回true
    return modified;
}

removeAll

public boolean removeAll(Collection<?> c) {
    // 集合c不能为空
    Objects.requireNonNull(c);
    // 同样调用批量删除方法，这时complement传入false，表示删除包含在c中的元素
    return batchRemove(c, false);
}

总结

  • 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；
  • 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)；
  • ArrayList添加元素到尾部极快，平均时间复杂度为O(1)；
  • 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)；
  • ArrayList从尾部删除元素极快，时间复杂度为O(1)；
  • 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)；
  • ArrayList支持求并集，调用addAll(Collection<? extends E> c)方法即可；
  • ArrayList支持求交集，调用retainAll(Collection<? extends E> c)方法即可；
  • ArrayList支持求单向差集，调用removeAll(Collection<? extends E> c)方法即可；
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