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深度剖析ArrayList

2020/12/5 9:36:51 文章标签:

文章目录一. ArrayList 初识ArrayList 的构造方法无参构造指定初始容量其他集合作为参数ArrayList 重要属性sizeDEFAULT_CAPACITYCAPACITYelementDataDEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATAEMPTY_ELEMENTDATA二. ArrayList常用方法1. add(E element)2. set(int index, E element)3…

文章目录

    • 一. ArrayList 初识
      • ArrayList 的构造方法
        • 无参构造
        • 指定初始容量
        • 其他集合作为参数
      • ArrayList 重要属性
        • size
        • DEFAULT_CAPACITY
        • CAPACITY
        • elementData
        • DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
        • EMPTY_ELEMENTDATA
    • 二. ArrayList常用方法
      • 1. add(E element)
      • 2. set(int index, E element)
      • 3. get(int index)
      • 4. remove(int index)
      • 5. remove(Object o)
      • 6. iterator 方法
      • 7. 其他方法
    • 三. ArrayList 的性能
    • 四. 总结

一. ArrayList 初识

ArrayList是集合的一种实现,实现了接口List,List接口继承了Collection接口。

ArrayList 是java 中最常用的集合类型,这是因为它使用起来非常简单,而且它提供了非常丰富的功能,并且性能非常好,这里需要注意的是性能是以牺牲了线程安全为代价的,ArrayList 好用又很大一部分来自它的动态扩容,不像数组那样你需要提前计算好数组的大小,ArrayList 会随着元素的增加自动扩容。

虽然在其内部它并不是真正的弹性数组在不断增长,但它就像拥有一个具有初始容量(默认为长度为10的数组)的数组一样简单。当超过这个限制创建另一个数组,它是原始数组的1.5倍,旧数组中的元素被复制到新数组中。

ArrayList使用非常广泛,不论是数据库表查询,excel导入解析,还是网站数据爬取都需要使用到,了解ArrayList原理及使用方法显得非常重要。

ArrayList 的构造方法

无参构造

//默认创建一个ArrayList集合
List<String> list = new ArrayList<>();
/**
 * Constructs an empty list with an initial capacity of ten.
 */
public ArrayList() {
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

创建一个空的使用默认容量的list(默认是10)

指定初始容量

//创建一个初始化长度为100的ArrayList集合
List<String> initlist = new ArrayList<>(100);

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);
    }
}

创建一个空的指定容量的list

其他集合作为参数

//将其他类型的集合转为ArrayList
List<String> setList = new ArrayList<>(new HashSet());

/**
 * Constructs a list containing the elements of the specified
 * collection, in the order they are returned by the collection's
 * iterator.
 *
 * @param c the collection whose elements are to be placed into this list
 * @throws NullPointerException if the specified collection is null
 */
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;
    }
}

构造一个包含指定集合元素的列表,其顺序由集合的迭代器返回。当传入的集合参数为空的话,抛出NullPointerException,因为它会调用该集合的toArray 方法,和HashTable 里面调用key 的hashcode 方法的原理一样

当集合是一个空的集合的话,elementData = EMPTY_ELEMENTDATA和指定0是initialCapacity的效果一样

**注意:**在传入集合的ArrayList的构造方法中,有这样一个判断

if (elementData.getClass() != Object[].class),

给出的注释是:c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652),即调用toArray方法返回的不一定是Object[]类型,查看Collection接口的定义

Object[] toArray();

我们发现返回的确实是Object[],那么为什么还会有这样的判断呢?

如果有一个类CustomList继承了ArrayList,然后重写了toArray()方法呢。。

public class CustomList<E> extends ArrayList {
    @Override
    public Integer [] toArray() {
        return new Integer[]{1,2};
    };
    
    public static void main(String[] args) {
        Object[] elementData = new CustomList<Integer>().toArray();
        System.out.println(elementData.getClass());
        System.out.println(Object[].class);
        System.out.println(elementData.getClass() == Object[].class);
    }
}

执行结果:

class [Ljava.lang.Integer;
class [Ljava.lang.Object;
false

接着说,如果传入的集合类型和我们定义用来保存添加到集合中值的Object[]类型不一致时,ArrayList做了什么处理?读源码看到,调用了Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);,继续往下走

public static <T,U> T[] copyOf(U[] original, int newLength, Class<? extends T[]> newType) {    
    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;
}

我们发现定义了一个新的数组,将原数组的数据拷贝到了新的数组中去。

ArrayList 重要属性

我们读一下源码,看看定义ArrayList的重要属性,当然我们还是习惯性的读一下类注释,让我们先有一个大概的认识,最后我们再通过例子,对它有一个精准的认识

/**
 * Resizable-array implementation of the <tt>List</tt> interface.  Implements all optional list operations, and permits all elements, including <tt>null</tt>.  
 * 可变化的数组实现了list 接口,实现了list 的所有操作,并且允许插入所有的元素,包括null 
 * In addition to implementing the <tt>List</tt> interface, this class provides methods to manipulate the size of the array that is used internally to store the list. 
 * 除了实现了list 接口之外,还提供了在内部使用的,操作存储了list元素数组的大小的方法
 * (This class is roughly equivalent to <tt>Vector</tt>, except that it is unsynchronized.)
 * 这个类大致上和Vector 类似,除了这个类不是同步的
 * <p>The <tt>size</tt>, <tt>isEmpty</tt>, <tt>get</tt>, <tt>set</tt>, <tt>iterator</tt>, and <tt>listIterator</tt> operations run in constant time. 
 * 上面这些方法的时间复杂度都是常数,其实就是O(1)
 * The <tt>add</tt> operation runs in <i>amortized constant time</i>,that is, adding n elements requires O(n) time. 
 * add 方法 均摊时间复杂度是O(1),添加n 个元素的时间复杂度就是O(n)
 * All of the other operations run in linear time (roughly speaking).  The constant factor is low compared to that for the <tt>LinkedList</tt> implementation.
 * 所有其他的方法的时间复杂度都是线性的,
 * <p>Each <tt>ArrayList</tt> instance has a <i>capacity</i>.  The capacity is the size of the array used to store the elements in the list.  It is always
 * at least as large as the list size. 
 * 每一个ArrayList的实例都有一个容量,这个容量就是list 里面用来存储元素的数组的大小,它是和list 的大小是一样大的
 * As elements are added to an ArrayList,its capacity grows automatically. 
 * 随着元素的添加,ArrayList 的大小在自动变化
 * The details of the growth policy are not specified beyond the fact that adding an element has constant amortized time cost.
 * 除了增加一个元素具有固定的均摊时间复杂度这一事实外,增长策略的细节没有被指定。
 * <p>An application can increase the capacity of an <tt>ArrayList</tt> instance before adding a large number of elements using the <tt>ensureCapacity</tt>
 * operation.  This may reduce the amount of incremental reallocation.
 * 应用程序可以在添加大量元素之前通过该指定ensureCapacity的操作来增加ArrayList的容量(其实就是通过构造方法),这样可以减少重新分配的次数(扩容的次数)
 * <p><strong>Note that this implementation is not synchronized.</strong> 
 * 重点注意这个实现不是线程安全的
 * The list should be "wrapped" using the  {@link Collections#synchronizedList Collections.synchronizedList} method.  This is best done at creation time, to prevent accidental
 * unsynchronized access to the list:<pre> List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList(...));</pre>
 * 如果需要线程安全的对象,可以使用Collections.synchronizedList对其进行包装,最好在创建时执行此操作,以防止意外的对列表的非同步访问,List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList(...))
 * <p><a name="fail-fast"> The iterators returned by this class's {@link #iterator() iterator} and {@link #listIterator(int) listIterator} methods are <em>fail-fast</em>:</a>
 * 这个类的iterator() 和 listIterator() 方法返回的迭代器都是fail-fast 的
 * if the list is structurally modified at any time after the iterator is created, in any way except through the iterator's own {@link ListIterator#remove() remove} or {@link ListIterator#add(Object) add} methods, the   iterator will throw a {@link ConcurrentModificationException}. 
 * 除了ListIterator#remove()和ListIterator#add(Object) 这两个方法之外的任何情况下,这个类对象的iterator在创建之后的任何时间,发生了结构上的修改则会抛出ConcurrentModificationException 的异常
 * @author  Josh Bloch
 * @author  Neal Gafter
 * @since   1.2
 */

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
    /**
     * Default initial capacity.  默认的初始容量
     */
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

    /**
     * Shared empty array instance used for empty instances.
     * 指定参数初始容量,但是初始容量是0的时候 
     * elementData= EMPTY_ELEMENTDATA
     */
    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.
     * 无参构造的时候使用 elementData= DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
     */
    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

    /**
     * The array buffer into which the elements of the ArrayList are stored.
     * The capacity of the ArrayList is the length of this array buffer. 
     * 其实就是实际存储元素的数组
     * Any empty ArrayList with elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
     * will be expanded to DEFAULT_CAPACITY when the first element is added.
     * 如果是 elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 则在第一次添加元素的时候则会扩容到DEFAULT_CAPACITY
     */
    transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access

    /**
     * The size of the ArrayList (the number of elements it contains).
     * 实际存储的元素多少
     * @serial
     */
    private int size;
}

其实源码里面已经很清晰了,底层是一个Object[],添加到ArrayList中的数据保存在了elementData属性中。

  • 当调用new ArrayList<>()时,将一个空数组 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 赋值给了elementData,这个时候集合的长度size为默认长度0;
  • 当调用new ArrayList<>(100)时,根据传入的长度,new一个Object[100]赋值给elementData,当然如果玩儿的话,传了一个0,那么将一个空数组 EMPTY_ELEMENTDATA 赋值给了elementData;
  • 当调用new ArrayList<>(new HashSet())时,根据源码,我们可知,可以传递任何实现了Collection接口的类,将传递的集合调用toArray()方法转为数组内赋值给elementData;

size

实际存储的元素个数,也就是数组中存储的元素个数,而不是数组的大小

DEFAULT_CAPACITY

默认的数组大小,就是在你不指定minCapacity变量的时候,它将使用DEFAULT_CAPACITY 作为数组的大小(但是需要注意的是它是在第一次添加元素的时候在使用的),而不是像你指定了minCapacity在构造方法中那样,在创建ArrayList 的过程中就创建了

CAPACITY

首先说明一下,ArrayList 中没有这样的变量,但是我把它单独拿出来说,是想强调一点,CAPACITY 表示的实数组的大小,而不是实际存储的元素个数——size,它表示的实存储能力,size 表示已经使用

elementData

ArrayList 背后真正存储数据的结构,也就是存储数据的数组,可以说是ArrayList背后的巨人

DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA

无参构造时候,elementData=DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 其实主要是为了区分elementData=它是无参构造的赋值,还是有参但是是0的时候的赋值

EMPTY_ELEMENTDATA

无参构造时候但是initialCapacity=0的时候,EMPTY_ELEMENTDATA 其实主要是为了区分elementData=它是无参构造的赋值,还是有参但是是0的时候的赋值

二. ArrayList常用方法

ArrayList有很多常用方法,add,addAll,set,get,remove,size,isEmpty等

首先定义了一个ArrayList,

List<String> list = new ArrayList<>(10);
list.add('牛魔王');
list.add('蛟魔王');
...
list.add('美猴王');

Object[] elementData中数据如下:

img

1. add(E element)

我们通过源码来看一下add(“白骨精”)到底发生了什么

/**
 * Appends the specified element to the end of this list.
 * 添加一个元素到列表的末尾
 * @param e element to be appended to this list 被添加的元素
 * @return <tt>true</tt> (as specified by {@link Collection#add}) 固定的返回值 True
 */
public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);
    // Increments modCount!!
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

首先通过 ensureCapacityInternal(size + 1) 来保证底层Object[]数组有足够的空间存放添加的数据,然后将添加的数据存放到数组对应的位置上,我们看一下是怎么保证数组有足够的空间?

这里如果是首次添加元素的话,szie=0 然后minCapacity=1 的

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
    }

首先调用了下面的方法计算容量,见名知意吧(calculate Capacity),如果elementData 不是空的话,直接返回minCapacity,也就是szie+1,是空的话就返回Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity) 也就是10

    
    private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
        // 这里有个注意点就是,无参数构造的话,elementData =DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 也就是说这里会返回 10,但是有参构造的话,不满足这个条件,也就是如果是无参构造的话,在第一次添加元素的时候将直接扩容到DEFAULT_CAPACITY
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
            return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }
        // 否则的话则是有参构造或者不是第一次添加元素,那么这里返回的就是size+1,也就是说扩容到所需的szie+1 即可
        return minCapacity;
    }

拿到返回的的capacity 之后,进行判断 确保足够的容量(ensure explicit capacity)

    private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        modCount++;
        // 不满足要求的容量则进行扩容,也就是数组大小不够了
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
    }

这里首先确定了Object[]足够存放添加数据的最小容量,然后通过 grow(int minCapacity) 来进行数组扩容

    /**
     * Increases the capacity to ensure that it can hold at least the number of elements specified by the minimum capacity argument.
     * 增加容量以保证至少可以存储输入参数那么多的元素
     * @param minCapacity the desired minimum capacity 确定需要最少容量的参数
     */
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);
}

扩容规则为 数组小容量 + (数组当前容量 / 2),即数组当前容量 * 1.5,当然有最大值的限制。如果计算出来的结果也就是数组当前容量 * 1.5 还是不足的话,直接使用newCapacity作为最小容量

这里需要注意一个问题,在老版本的代码中,它的计算公式是这样的

int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1;

因为最开始定义了集合容量为10,故而本次不会进行扩容,直接将第8个位置(从0开始,下标为7)设置为“白骨精”,这时Object[] elementData中数据如下:

img

当然add 方法还有很多变体,如果你感兴趣可以自己研究一下,因为add方法指定index的时候和set 方法很类似,所以你可以看完下面的set 方法再去看add 方法的变体

add("铁扇", 0); //将数组中的元素各自往后移动一位,再将“铁扇”放到第一个位置上;

img

addAll(list..七个葫芦娃); //将集合{七个葫芦娃}放到"白骨精"后,很明显当前数组的容量已经不够,需要扩容了,不执行该句代码了;

addAll(list..哪吒三兄弟, 4);//从第五个位置将“哪吒三兄弟”插进去,那么数组第五个位置后的元素都需往后移动三位,数组按规则扩容为18。

img

指定了插入位置的,会通过**rangeCheckForAdd(int index)**方法判断是否数组越界

总结

当添加一个新元素到ArrayList的时候,首选会验证一下ArrayList时候有足够的容量了来存储新的元素,如果不够的话则会创建一个新的数组是原来数组大小的1.5 倍,然后copy 数据到新的数组

arrayList.add(1,"a");
arrayList.addAll(new HashSet());

这里需要注意一下的是扩容这个过程,或者说是计算容量的过程,如果你是无参构造则一次性扩容到DEFAULT_CAPACITY,如果不是则都是根据所需容量(size+1)进行判断是否要扩容,如果是的话,则扩容为原来的1.5倍

2. set(int index, E element)

因为ArrayList底层是由数组实现的,set实现非常简单,调用 set(8, "猪八戒") 通过传入的数字下标找到对应的位置,替换其中的元素,前提也需要首先判断传入的数组下标是否越界。将“猕猴王”替换为“猪八戒”

public E set(int index, E element) {
    rangeCheck(index);
    E oldValue = elementData(index);
    elementData[index] = element;
    return oldValue;
}
// 需要注意的是这里不会给你扩容的,如果你越界直接抛出异常
    private void rangeCheck(int index) {
        if (index >= size)
            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
    }

//返回值“猕猴王”,当前数组中数据:

img

3. get(int index)

ArrayList中get方法也非常简单,通过下标查找即可,同时需要进行了类型转换,因为数组为Object[],前提是需要判断传入的数组下标是否越界。

public E get(int index) {
   // 当然也是检测下标是否越界
    rangeCheck(index);
    return elementData(index);
}
E elementData(int index) {
    return (E) elementData[index];
}

调用get(6)返回”哪吒“。

4. remove(int index)

首先说一下ArrayList通过下标删除的方法,我们看一下源码

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;
}

通过源码我们可以看到首先获取了待删除的元素,并最终返回了。这里的下标和数组一样,都是从0开始的

其次计算了数组中需要移动的位数 size - index - 1,那么很明显我们可以得出待删除的是最后一个元素的话,移到位数为0,否则移动位数大于0,那么通过数组元素的拷贝来实现往前移动相应位数。

如remove(10),找到的元素为“美猴王”,那么移动位数 = 12-10-1 = 1;此时将原本在第12个位置上(数组下标为11)的“白骨精”往前移动一位,同时设置elementData[11] = null;这里通过设置null值让GC起作用。

5. remove(Object o)

删除ArrayList中的值对象,其实和通过下标删除很相似,只是多了一个步骤,遍历底层数组elementData,通过equals()方法或 == (特殊情况下)来找到要删除的元素,获取其下标,调用remove(int index)一样的代码即可。

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;
}

当然 ArrayList 还给我们提供了另外一个方法,那就是removeIf(),它是一个函数式接口

 List<String> cityList = new ArrayList<>(2);
 cityList.removeIf((String name )->name.equalsIgnoreCase("Bangalore"));

6. iterator 方法

这里主要演示一下它的快速失败属性

@Test
public void itrator(){
    List<String> cityList = new ArrayList<>(2);
    cityList.add("London");
    cityList.add("Paris");
    cityList.add("Bangalore");
    cityList.add("Istanbul");
    Iterator<String> itr = cityList.iterator();
    while(itr.hasNext()){
        String city = itr.next();
        if(city.equals("Paris")){
            cityList.remove(city);
        }
        System.out.println(city);
    }
}

输出结果

London
Paris
java.util.ConcurrentModificationException
	at java.util.ArrayList$Itr.checkForComodification(ArrayList.java:909)
	at java.util.ArrayList$Itr.next(ArrayList.java:859)

当然如果你就想在遍历的过程中删除元素,也不是不行,调用iterator 的remove 方法即可,然后ArrayList 中的元素也会被删除的

@Test
public void itrator2(){
    List<String> cityList = new ArrayList<>(2);
    cityList.add("London");
    cityList.add("Paris");
    cityList.add("Bangalore");
    cityList.add("Istanbul");
    Iterator<String> itr = cityList.iterator();
    while(itr.hasNext()){
        String city = itr.next();
        if(city.equals("Paris")){
            itr.remove();
        }else {
            System.out.println(city);
        }
    }
}

7. 其他方法

size() : 获取集合长度,通过定义在ArrayList中的私有变量size得到

isEmpty():是否为空,通过定义在ArrayList中的私有变量size得到

contains(Object o):是否包含某个元素,通过遍历底层数组elementData,通过equals或==进行判断

clear():集合清空,通过遍历底层数组elementData,设置为null

 /**
  * Removes all of the elements from this list.  The list will
  * be empty after this call returns.
  */
 public void clear() {
     modCount++;

     // clear to let GC do its work
     for (int i = 0; i < size; i++)
         elementData[i] = null;
     size = 0;
 }

这里给大家一个思考题,为什么要遍历呢,而不是先创建一个同等大小的数组,然后将数组当前设置为null呢,其实我觉得也可以,而且更快

三. ArrayList 的性能

  • Adding an element- 如果你使用的实 add(E e) 方法添加一个元素到ArrayList末尾 ,它的时间复杂度 O(1);但是当空间不足引发扩容的时候,会导致新建数组然后拷贝数据,这个时候它的时间复杂度 O(n) ;当你使用 add(int index, E element)的时候它的算法复杂度是 O(n - index) 也就是 O(n)
  • Retrieving an element- 当你使用get(int index) 的时候,它的时间复杂度是 O(1),因为数组可以直接根据下标进行定位
  • Removing an element- 当你使用 remove(int index) 它的时间复杂度是 **O(n - index) **,因为它涉及到移动元素

四. 总结

  1. ArrayList 就是一个实现了List接口的课自动扩容的数组,当添加元素的时候它会尝试扩容,当删除元素的时候,它会左移元素,避免数组出现"空位"
  2. ArrayList 都有容量,容量就是ArrayList里面数组的大小
  3. ArrayList 是一个有序的集合,它的维持的顺序就是元素的插入顺序(可以对比HashMap)
  4. ArrayList 可以存储重复值和null值
  5. ArrayList 是快速失败的,在遍历的同时当集合被修改后会抛出ConcurrentModificationException,可以使用Iterator 的删除方法来避免这个问题
  6. ArrayList 不是线程安全的,如果你想在多线程环境中使用,可以使用Vector 或者它的线程安全包装类

本文链接: http://www.dtmao.cc/news_show_450025.shtml

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