集合浅谈之ArrayList篇

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简谈

ArrayList是基于数组实现的可动态扩张的列表,相较于LinkedList在数据访问方面更有优势,但在插入删除方面性能较差

  • 实现了RandomAccess接口,可以进行随机访问
  • 实现了Cloneable接口,可以实现浅克隆操作
  • 实现了Serializabe接口,支持序列化，能通过序列化去传输。
//ArrayList<E>,继承于AbstractList<E>,实现了List<E>,RandomAccess,Cloneable,Serializable接口
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable{}

在这里插入图片描述

源码分析

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable{
         //默认容量
        private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
        //用于共享的空实例的空数组
        private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
        //用于默认容量的空实例的共享空数组实例
        //在无参构造器中初始化时,该数组大小仍然为0,在第一次进行添加操作时容量才变为10
        private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
        //存放数据的数组
        transient Object[] elementData;
          //元素个数
        private int size;
        //继承于AbstractList的变量,用于fail-fast(记录集合结构被修改的次数)
        protected transient int modCount = 0;
        
       //构造指定容量的ArrayList<E>
      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);
        }
    }
    //无参构造函数,构造默认容量的ArrayList<E>,如上所述,初始化时容量仍为0,第一次添加元素时容量变为10
     public ArrayList() {
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
    //通过一个集合来构造当前ArrayList<E>,新构建的ArrayList<E>元素顺序与原集合iterator返回元素的顺序相同
    public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
        elementData = c.toArray();
        if ((size = elementData.length) != 0) {
            //c.toArray 可能返回的不是Object类型的数组
            if (elementData.getClass() != Object[].class)
                elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
        } else {
            //原集合为空,则构建的ArrayList<E>中elementData 为空数组
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        }
    }
        }
添加元素操作
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
//在集合的末尾添加元素
 public boolean add(E e) {
 		//检查ArrayList<E>是否需要扩容
        ensureCapacityInternal(size + 1); 
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }
  
    //检查ArrayList<E>是非需要扩容
    private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
    }
      //调用
    private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        modCount++;

        // overflow-conscious code
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
    }
 	//得到最小的扩容容量
     private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
            return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }
        return minCapacity;
    }
    //真正的扩容操作
    private void grow(int minCapacity) {
        // 得到原先的容量
        int oldCapacity = elementData.length;
        //>>右移运算符,右移一位相当于/2,故新容量为旧容量的1.5倍
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        //判断新容量与最小容量关系
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            newCapacity = minCapacity;
        //判断新容量与最大容量关系
        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);
    }
    //当新容量大于MAX_ARRAY_SIZE是调用改方法,使新容量为Integer.MAX_VALUE 
     private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
        if (minCapacity < 0) // overflow
            throw new OutOfMemoryError();
        return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
            Integer.MAX_VALUE :
            MAX_ARRAY_SIZE;
    }
  • 第一次添加元素时size=0,size+1即minCapacity=1,调用ensureCapacityInternal()方法时会先调用calculateCapacity()方法得到minCapacity=10,minCapacity - elementData.length > 0判断成立,则执行grow()方法(扩容操作),grow(int minCapacity)方法中第一个if成立,将容量扩展为10,避免每添加一个元素都要扩容一次带来的性能消耗
  • 第2,3,4…10次添加元素时,minCapacity - elementData.length > 0 不成立，所以不会执行grow(int minCapacity) 方法
  • 直到添加第11个元素时minCapacity - elementData.length > 0 成立,进入grow(int minCapacity)执行将列表扩展为原列表的1.5倍

ArrayList的快速失败机制

import java.util.ArrayList;
import java.util.Iterator;

public class ArrayListTest {
	public static void main(String [] args){
		test t=new test();
		t.testFastFail();
	}
}

class test{
	ArrayList<Integer> arrayList=new ArrayList<>();
	Iterator<Integer> i=arrayList.iterator();
	public void testFastFail(){
		for(int i=0;i<10;i++){
			arrayList.add(i);
			arrayList.add(10);
		}
		while(i.hasNext()){
			int a=i.next();
			if(a==10){
				arrayList.remove(a);
			}
			
		}
	}
}
//上面程序不出意外的出现了java.util.ConcurrentModificationException异常信息,这就是ArrayList的快速失败机制

快速失败”即fail-fast,它是java集合的一种错误检测机制。当多钱程对集合进行结构(通常是指添加删除元素从而改变了集合长度,改变当前位置上元素的值并不算改变集合结构)上的改变或者集合在迭代元素时直接调用自身方法改变集合结构而没有通知迭代器时，有可能会触发fast-fail机制并抛出异常,下面开始分析产生这种情况的原因

//如上所述当调用add()方法添加元素,ArrayList<E>需要扩容时,在ensureExplicitCapacity()方法中会发生modCount++,而modCount用于记录集合结构修改的次数,当expectedModCount 与modCount不相等时便会抛出上述异常
//ArrayList的remove方法
public E remove(int index) {
        rangeCheck(index);
        //与add()操作一样,删除时会修改modCount造成modCount与expectedModCount 不相等从而抛出异常
        modCount++;
        E oldValue = elementData(index);
        //得到需要想做移动的元素的个数
        int numMoved = size - index - 1;
        if (numMoved > 0)
        //让删除元素右边的元素向左移动
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                             numMoved);
        //改变size大小
        elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work

        return oldValue;
    }
//返回一个快速失败的迭代器
public Iterator<E> iterator() {
        return new Itr();
    }

   private class Itr implements Iterator<E> { 
   //当前元素索引的下一个索引
        int cursor;
       //最近调用next或previous返回的元素索引。如果删除此元素，则重置为-1
        int lastRet = -1; 
        //让期望修改的次数expectedModCount 与当前修改次数modCount相等
        int expectedModCount = modCount;

        Itr() {}

        public boolean hasNext() {
            return cursor != size;
        }

        @SuppressWarnings("unchecked")
        public E next() {
        //判断期望修改次数与实际修改次数是否相等
            checkForComodification();
            int i = cursor;
            if (i >= size)
                throw new NoSuchElementException();
            Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
            if (i >= elementData.length)
                throw new ConcurrentModificationException();
            cursor = i + 1;
            return (E) elementData[lastRet = i];
        }

        public void remove() {
            if (lastRet < 0)
                throw new IllegalStateException();
            checkForComodification();
            try {
            //调用ArrayList<E>中的remove()方法
                ArrayList.this.remove(lastRet);
                cursor = lastRet;
                lastRet = -1;
                expectedModCount = modCount;
            } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
                throw new ConcurrentModificationException();
            }
        }

        @Override
        @SuppressWarnings("unchecked")
        public void forEachRemaining(Consumer<? super E> consumer) {
            Objects.requireNonNull(consumer);
            final int size = ArrayList.this.size;
            int i = cursor;
            if (i >= size) {
                return;
            }
            final Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
            if (i >= elementData.length) {
                throw new ConcurrentModificationException();
            }
            while (i != size && modCount == expectedModCount) {
                consumer.accept((E) elementData[i++]);
            }
            // update once at end of iteration to reduce heap write traffic
            cursor = i;
            lastRet = i - 1;
            checkForComodification();
        }

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

总结: 对于ArrayList，在使用Iterator遍历时，不能使用list.add()、list.remove()等改变ArrayList结构的操作，只能用it.remove(),因为迭代器的remove方法在删除元素后会重新将modCount 的值赋值给expectedModCount,使两者保持相等

System.arraycopy()与Arrays.copyOf()

在ArrayList中,好多方法都用到了 System.arraycopy()与Arrays.copyOf(),其实Arrays.copyOf实现方法也是调用了native方法System.arraycopy()


public static <T,U> T[] copyOf(U[] original, int newLength, Class<? extends T[]> newType) {
        @SuppressWarnings("unchecked")
        T[] copy = ((Object)newType == (Object)Object[].class)
            ? (T[]) new Object[newLength]
            : (T[]) Array.newInstance(newType.getComponentType(), newLength);
        System.arraycopy(original, 0, copy, 0,
                         Math.min(original.length, newLength));
        return copy;
    }

//src,原数组被copy的数组
//srcPos,原数组中开始复制的位置
//dest   目标数组,复制到那个数组中去
//destPos  目标数组中开始保存元素的位置
//length 原数组中复制元素的长度
 public static native void arraycopy(Object src,  int  srcPos,
                                        Object dest, int destPos,
                                        int length);

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