java數據結構ArrayList詳解
簡介
ArrayList 是 java 集合框架中比較常用的數據結構瞭。繼承自 AbstractList，實現瞭 List 接口。底層基於數組實現容量大小動態變化。允許 null 的存在。同時還實現瞭 RandomAccess、Cloneable、Serializable 接口，所以ArrayList 是支持快速訪問、復制、序列化的。
成員變量
ArrayList 底層是基於數組來實現容量大小動態變化的。
/** * The size of the ArrayList (the number of elements it contains). */ private int size; // 實際元素個數 transient Object[] elementData;
註意：上面的 size 是指 elementData 中實際有多少個元素，而 elementData.length 為集合容量，表示最多可以容納多少個元素。
默認初始容量大小為 10;
/** * Default initial capacity. */ private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
這個變量是定義在 AbstractList 中的。記錄對 List 操作的次數。主要使用是在 Iterator，是防止在迭代的過程中集合被修改。
protected transient int modCount = 0;
下面兩個變量是用在構造函數裡面的
/**
* Shared empty array instance used for empty instances.
*/
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/**
* Shared empty array instance used for default sized empty instances. We
* distinguish this from EMPTY_ELEMENTDATA to know how much to inflate when
* first element is added.
*/
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
兩個空的數組有什麼區別呢？ We distinguish this from EMPTY_ELEMENTDATA to know how much to inflate when first element is added. 簡單來講就是第一次添加元素時知道該 elementData 從空的構造函數還是有參構造函數被初始化的。以便確認如何擴容。
構造函數
無參構造函數
/**
* Constructs an empty list with an initial capacity of ten.
*/
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
註意：註釋是說構造一個容量大小為 10 的空的 list 集合，但構造函數瞭隻是給 elementData 賦值瞭一個空的數組，其實是在第一次添加元素時容量擴大至 10 的。
構造一個初始容量大小為 initialCapacity 的 ArrayList
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);
}
}
由以上源碼可見： 當使用無參構造函數時是把 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 賦值給 elementData。 當 initialCapacity 為零時則是把 EMPTY_ELEMENTDATA 賦值給 elementData。 當 initialCapacity 大於零時初始化一個大小為 initialCapacity 的 object 數組並賦值給 elementData。
使用指定 Collection 來構造 ArrayList 的構造函數
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;
}
}
將 Collection 轉化為數組並賦值給 elementData，把 elementData 中元素的個數賦值給 size。 如果 size 不為零，則判斷 elementData 的 class 類型是否為 Object[]，不是的話則做一次轉換。 如果 size 為零，則把 EMPTY_ELEMENTDATA 賦值給 elementData，相當於new ArrayList(0)。
主要操作方法解析
add 操作
public boolean add(E e) {
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
elementData[size++] = e;
return true;
}
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
modCount++;
// overflow-conscious code
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}
由此可見：每次添加元素到集合中時都會先確認下集合容量大小。然後將 size 自增 1。ensureCapacityInternal 函數中判斷如果 elementData =DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 就取 DEFAULT_CAPACITY 和 minCapacity 的最大值也就是 10。這就是 EMPTY_ELEMENTDATA 與DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 的區別所在。同時也驗證瞭上面的說法：使用無慘構造函數時是在第一次添加元素時初始化容量為 10 的。ensureExplicitCapacity 中對 modCount 自增 1，記錄操作次數，然後如果 minCapacity 大於 elementData 的長度，則對集合進行擴容。顯然第一次添加元素時 elementData 的長度為零。那我們來看看 grow 函數。
private void grow(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length;
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
if (newCapacity - minCapacity < 0)
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);
}
很簡單明瞭的一個函數，默認將擴容至原來容量的 1.5 倍。但是擴容之後也不一定適用，有可能太小，有可能太大。所以才會有下面兩個 if 判斷。如果1.5倍太小的話，則將我們所需的容量大小賦值給newCapacity，如果1.5倍太大或者我們需要的容量太大，那就直接拿 newCapacity = (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ? Integer.MAX_VALUE : MAX_ARRAY_SIZE 來擴容。然後將原數組中的數據復制到大小為 newCapacity 的新數組中，並將新數組賦值給 elementData。
public void add(int index, E element) {
rangeCheckForAdd(index);
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index);
elementData[index] = element;
size++;
}
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;
}
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
rangeCheckForAdd(index);
Object[] a = c.toArray();
int numNew = a.length;
ensureCapacityInternal(size + numNew); // Increments modCount
int numMoved = size - index;
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew, numMoved);
System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);
size += numNew;
return numNew != 0;
}
有以上源碼可知，add(int index, E element)，addAll(Collection<? extends E> c)，addAll(int index, Collection<? extends E> c) 操作是都是先對集合容量檢查 ，以確保不會數組越界。然後通過 System.arraycopy() 方法將舊數組元素拷貝至一個新的數組中去。
remove 操作
public E remove(int index) {
rangeCheck(index);
modCount++;
E oldValue = elementData(index);
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
return oldValue;
}
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
}
當我們調用 remove(int index) 時，首先會檢查 index 是否合法，然後再判斷要刪除的元素是否位於數組的最後一個位置。如果 index 不是最後一個，就再次調用 System.arraycopy() 方法拷貝數組。說白瞭就是將從 index + 1 開始向後所有的元素都向前挪一個位置。然後將數組的最後一個位置空，size – 1。如果 index 是最後一個元素那麼就直接將數組的最後一個位置空，size – 1即可。 當我們調用 remove(Object o) 時，會把 o 分為是否為空來分別處理。然後對數組做遍歷，找到第一個與 o 對應的下標 index，然後調用 fastRemove 方法，刪除下標為 index 的元素。其實仔細觀察 fastRemove(int index) 方法和 remove(int index) 方法基本全部相同。
get操作
public E get(int index) {
rangeCheck(index);
return elementData(index);
}
由於 ArrayList 底層是基於數組實現的，所以獲取元素就相當簡單瞭，直接調用數組隨機訪問即可。
迭代器 iterator
有使用過集合的都知道，在用 for 遍歷集合的時候是不可以對集合進行 remove操作的，因為 remove 操作會改變集合的大小。從而容易造成結果不準確甚至數組下標越界，更嚴重者還會拋出 ConcurrentModificationException。
foreach 遍歷等同於 iterator。為瞭搞清楚異常原因，我們還必須過一遍源碼。
public Iterator<E> iterator() {
return new Itr();
}
原來是直接返回一個 Itr 對象。
private class Itr implements Iterator<E> {
int cursor; // index of next element to return
int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such
int expectedModCount = modCount;
public boolean hasNext() {
return cursor != size;
}
@SuppressWarnings("unchecked")
public E next() {
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 {
ArrayList.this.remove(lastRet);
cursor = lastRet;
lastRet = -1;
expectedModCount = modCount;
} catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
final void checkForComodification() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
從源碼可以看出，ArrayList 定義瞭一個內部類 Itr 實現瞭 Iterator 接口。在 Itr 內部有三個成員變量。 cursor：代表下一個要訪問的元素下標。 lastRet：代表上一個要訪問的元素下標。 expectedModCount：代表對 ArrayList 修改次數的期望值，初始值為 modCount。
下面看看 Itr 的三個主要函數。
- hasNext 實現比較簡單，如果下一個元素的下標等於集合的大小 ，就證明到最後瞭。
- next 方法也不復雜，但很關鍵。首先判斷 expectedModCount 和 modCount 是否相等。然後對 cursor 進行判斷，看是否超過集合大小和數組長度。然後將 cursor 賦值給 lastRet ，並返回下標為 lastRet 的元素。最後將 cursor 自增 1。開始時，cursor = 0，lastRet = -1；每調用一次 next 方法， cursor 和 lastRet 都會自增 1。
- remove 方法首先會判斷 lastRet 的值是否小於 0，然後在檢查 expectedModCount 和 modCount 是否相等。接下來是關鍵，直接調用 ArrayList 的 remove 方法刪除下標為 lastRet 的元素。然後將 lastRet 賦值給 cursor ，將 lastRet 重新賦值為 -1，並將 modCount 重新賦值給 expectedModCount。
下面我們一步一步來分析 Itr 的操作。如圖一所示，開始時 cursor 指向下標為 0 的元素，lastRet 指向下標為 -1 的元素，也就是 null。每調用一次 next，cursor 和lastRet 就分別會自增 1。當 next 返回 “C” 時，cursor 和 lastRet 分別為 3 和 2 [圖二]。
此時調用 remove，註意是 ArrayList 的 remove，而不是 Itr 的 remove。會將 D E 兩個元素直接往前移動一位，最後一位置空，並且 modCount 會自增 1。從 remove 方法可以看出。[圖三]。
此時 cursor = 3，size = 4，沒有到數組末尾，所以循環繼續。來到 next 方法，因為上一步的 remove 方法對 modCount 做瞭修改 ，致使 expectedModCount 與 modCount 不相等，這就是 ConcurrentModificationException 異常的原因所在。從例子.png中也可以看出異常出自 ArrayList 中的內部類 Itr 中的 checkForComodification 方法。
異常的解決：
直接調用 iterator.remove() 即可。因為在該方法中增加瞭 expectedModCount = modCount 操作。但是這個 remove 方法也有弊端。
- 1、隻能進行remove操作，add、clear 等 Itr 中沒有。
- 2、調用 remove 之前必須先調用 next。因為 remove 開始就對 lastRet 做瞭校驗。而 lastRet 初始化時為 -1。
- 3、next 之後隻可以調用一次 remove。因為 remove 會將 lastRet 重新初始化為 -1
總結
ArrayList 底層基於數組實現容量大小動態可變。 擴容機制為首先擴容為原始容量的 1.5 倍。如果1.5倍太小的話，則將我們所需的容量大小賦值給 newCapacity，如果1.5倍太大或者我們需要的容量太大，那就直接拿 newCapacity = (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ? Integer.MAX_VALUE : MAX_ARRAY_SIZE 來擴容。 擴容之後是通過數組的拷貝來確保元素的準確性的，所以盡可能減少擴容操作。 ArrayList 的最大存儲能力：Integer.MAX_VALUE。 size 為集合中存儲的元素的個數。elementData.length 為數組長度，表示最多可以存儲多少個元素。 如果需要邊遍歷邊 remove ，必須使用 iterator。且 remove 之前必須先 next，next 之後隻能用一次 remove。
以上所述是小編給大傢介紹的java數據結構ArrayList詳解，希望對大傢有所幫助。在此也非常感謝大傢對WalkonNet網站的支持！
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