Java8 ArrayList源码分析
java.util.ArrayList是最常用的工具类之一, 它是一个线程不安全的动态数组. 本文将对JDK 1.8.0中ArrayList实现源码进行简要分析.
ArrayList底层采用Object[]来存储, 每次添加元素前都会检查数组是否有足够空间容纳新的元素.
若数组空间不足则会进行扩容操作, 即创建一个容量更大的数组 并将已有的元素复制到新数组中. 默认情况下新数组的容量是当前容量的1.5倍.
ArrayList使用Arrays.copyOf和System.arraycopy调用原生(native)方法进行数组复制, 以提高效率.
addAll, removeAll等方法中通常使用c.toArray方法来获取容器中所有元素.
ArrayList提供了iterator()和listIterator()两种迭代器, 前者只能向后移动, 而后者可以双向移动.
iterator()只能删除上一个访问的元素, 而listIterator()还可以在游标位置添加元素.
两种迭代器都采用fail-fast机制, 即使用modCount记录结构性改变(添加删除元素等)的次数, 迭代器在移动前会检查modCount是否发生改变. 若modCount改变, 则抛出异常中止迭代. 该方法是为了防止其它线程修改容器造成迭代结果不一致.
数据结构与构造器
在介绍构造器之前, 首先介绍一下ArrayList的数据结构:
// 默认初始容量
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
/**
* elementData是实际存储数据的缓冲区
* 其类型为Object[], 即在内部用Object类存储元素在取出时进行类型转换
* 访问控制为默认(包内访问)是为了便于内部类访问
* transient关键字表示不对该域进行序列化, ArrayList内部重写了序列化/反序列化方法
*/
transient Object[] elementData;
// 当前元素数目
private int size;
// 用于表示空实例的数组
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/**
* 默认构造器使用的空数组
* 当elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA时, 首次添加元素会使elementData扩容到DEFAULT_CAPACITY
*/
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
接下来可以阅读ArrayList的几个构造器:
// 按照指定初始容量进行初始化
public ArrayList(int initialCapacity) {
if (initialCapacity > 0) {
this.elementData = new Object[initialCapacity];
} else if (initialCapacity == 0) {
// 指定容量为0时使用EMPTY_ELEMENTDATA, 而非重新初始化空数组
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
} else {
// 不允许负容量
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: " + initialCapacity);
}
}
/**
* 按照DEFAULT_CAPACITY进行初始化
* 构造时并未实际建立缓冲区, 在首次添加元素时才会扩容到DEFAULT_CAPACITY
*/
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
/**
* 根据其它集合对象创建
* 默认调用Collection.toArray方法,
* 若toArray方法返回类型不是Object[], 则利用Arrays.copyOf进行类型转换
*/
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;
}
}
Arrays.copyOf用于复制数组, 其封装了原生(native)方法System.arraycopy, 具有很高的效率.
ArrayList中广泛使用这两个方法用于扩容, 插入等操作.
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;
}
添加元素
ArrayList的底层数据结构为数组, 每次向其中添加元素前都会检查数组容量是否足够. 若数组已满则会进行扩容操作.
首先阅读添加单个元素的方法add(E):
// 向数组末尾添加一个元素, 返回值代表数组是否改变
public boolean add(E e) {
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
elementData[size++] = e;
return true;
}
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
// 对于默认构造器创建的实例, 保证容量不小于DEFAULT_CAPACITY
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
// modCount记录了实例发生结构性变化的次数, 用于迭代器的fail-fast机制
modCount++;
// overflow-conscious code
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}
private void grow(int minCapacity) {
// 计算扩容后新容量, 默认为原容量的1.5倍
int oldCapacity = elementData.length;
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
// oldCapacity的1.5倍已经溢出, 所以出现反而变小的情况
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
// 若大于MAX_ARRAY_SIZE则由hugeCapacity取上限
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
// 创建新数组并把原有元素移动到新数组中
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;
}
在制定位置添加元素的add(index, e)方法非常类似:
public void add(int index, E element) {
rangeCheckForAdd(index);
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
// elementData类型一定为Object[], 不用Arrays.copyOf进行类型检查直接调用System.arraycopy即可
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
size - index);
elementData[index] = element;
size++;
}
private void rangeCheckForAdd(int index) {
if (index > size || index < 0)
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
addAll方法调用c.toArray获取c中所有元素:
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;
}
访问元素
get方法可以访问指定位置的元素:
public E get(int index) {
rangeCheck(index);
return elementData(index);
}
private void rangeCheck(int index) {
if (index >= size)
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
E elementData(int index) {
return (E) elementData[index];
}
set方法用于修改某位置的元素, 未发生结构性改变不会修改modCount:
public E set(int index, E element) {
rangeCheck(index);
E oldValue = elementData(index);
elementData[index] = element;
return oldValue;
}
toArray方法可以将ArrayList中所有元素作为数组返回:
public Object[] toArray() {
return Arrays.copyOf(elementData, size);
}
public <T> T[] toArray(T[] a) {
if (a.length < size)
// Make a new array of a's runtime type, but my contents:
return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass());
System.arraycopy(elementData, 0, a, 0, size);
if (a.length > size)
a[size] = null;
return a;
}
出于类型安全的原因, 建议使用第二个toArray方法:
List<String> list = new ArrayList<>();
// add sth in list
String[] arr = new String[list.size()];
arr = list.toArray(arr);
删除元素
remove(index)方法用于移除指定位置的元素:
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;
}
使用System.arraycopy将index后面的元素向前移动一位, 覆盖被删除的元素.
将最后位置上的元素设为null便于GC进行回收.
remove(obj)方法会移除第一个与obj相同的元素, 相同关系使用obj.equals方法来判断:
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
}
removeAll(c)方法移除所有包含在容器c中的元素, retainAll(c)方法移除所有未包含在容器c中的元素.
public boolean removeAll(Collection<?> c) {
Objects.requireNonNull(c);
return batchRemove(c, false);
}
public boolean retainAll(Collection<?> c) {
Objects.requireNonNull(c);
return batchRemove(c, true);
}
实际完成该操作的是batchRemove方法:
private boolean batchRemove(Collection<?> c, boolean complement) {
final Object[] elementData = this.elementData;
int r = 0, w = 0;
boolean modified = false;
try {
// 遍历ArrayList, 使用`c.contains`判断是否包含
for (; r < size; r++)
if (c.contains(elementData[r]) == complement)
// 将需要保留的元素移动到数组前部
elementData[w++] = elementData[r];
} finally {
// 保持与AbstractCollection的行为一致
// 即使c.contains抛出异常仍完成操作
if (r != size) {
// r != size 说明发生了contains异常.
// 将后部未判断的部分移动到前面予以保留
System.arraycopy(elementData, r,
elementData, w,
size - r);
w += size - r;
}
if (w != size) {
// w != size 说明有元素被删除, 执行清理
for (int i = w; i < size; i++)
elementData[i] = null;
modCount += size - w;
size = w;
modified = true;
}
}
return modified;
}
迭代器
ArrayList提供了两个迭代器: iterator()和listIterator(). 它们都采用fail-fast机制, 即当迭代器遍历过程中容器发生结构性改变时, next方法会抛出ConcurrentModificationException异常, 终止迭代.
所谓结构性改变是指modCount发生改变的情况, 所有的add, removey操作以及clear()方法都会修改modCount. fail-fast机制主要为了应对其它线程修改容器导致的不一致问题.
首先阅读iterator()源码:
// 获得迭代器实例
public Iterator<E> iterator() {
return new Itr();
}
// 迭代器内部实现类
private class Itr implements Iterator<E> {
int cursor; // 下一个要返回元素的下标
int lastRet = -1; // 上一个返回元素的下标, 默认为-1.
int expectedModCount = modCount;
// 检查是否可以继续遍历
public boolean hasNext() {
return cursor != size;
}
// 返回cursor指向的元素, 并将cursor后移一个位置
@SuppressWarnings("unchecked")
public E next() {
// 检查modCount是否一致
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];
}
// 删除上一次返回的元素
public void remove() {
// 检查是否返回过元素(成功调用过next方法), 且该元素未被删除
if (lastRet < 0)
throw new IllegalStateException();
checkForComodification();
try {
// 删除元素
ArrayList.this.remove(lastRet);
// 修正游标位置
cursor = lastRet;
// 标记上次返回的元素已被删除, 避免误删
lastRet = -1;
// 更新expectedModCount, 保证迭代器可以继续执行
expectedModCount = modCount;
} catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
final void checkForComodification() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
listIterator()可以双向移动, 除了删除元素外还可以在游标位置添加元素:
public ListIterator<E> listIterator() {
return new ListItr(0);
}
private class ListItr extends Itr implements ListIterator<E> {
ListItr(int index) {
super();
cursor = index;
}
public boolean hasPrevious() {
return cursor != 0;
}
public int nextIndex() {
return cursor;
}
public int previousIndex() {
return cursor - 1;
}
@SuppressWarnings("unchecked")
public E previous() {
checkForComodification();
int i = cursor - 1;
if (i < 0)
throw new NoSuchElementException();
Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
if (i >= elementData.length)
throw new ConcurrentModificationException();
cursor = i;
return (E) elementData[lastRet = i];
}
public void set(E e) {
if (lastRet < 0)
throw new IllegalStateException();
checkForComodification();
try {
ArrayList.this.set(lastRet, e);
} catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
public void add(E e) {
checkForComodification();
try {
int i = cursor;
ArrayList.this.add(i, e);
cursor = i + 1;
lastRet = -1;
expectedModCount = modCount;
} catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
}
ArrayList还有两个内部类用于处理子序列操作:
SubList extends AbstractList<E>ArrayListSpliterator<E> implements Spliterator<E>
序列化
ArrayList的序列化会写入modCount, size和实际的元素. 同样会检查modCount是否一致, 以避免并发问题.
private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
throws java.io.IOException{
// Write out element count, and any hidden stuff
int expectedModCount = modCount;
s.defaultWriteObject();
// Write out size as capacity for behavioural compatibility with clone()
s.writeInt(size);
// Write out all elements in the proper order.
for (int i=0; i<size; i++) {
s.writeObject(elementData[i]);
}
if (modCount != expectedModCount) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
自定义序列化机制的根本目的在于避免写入无意义的字段. readObject也按照同样的策略进行重写:
private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
// Read in size, and any hidden stuff
s.defaultReadObject();
// Read in capacity
s.readInt(); // ignored
if (size > 0) {
// be like clone(), allocate array based upon size not capacity
ensureCapacityInternal(size);
Object[] a = elementData;
// Read in all elements in the proper order.
for (int i=0; i<size; i++) {
a[i] = s.readObject();
}
}
}
Keep working, we will find a way out.
This is Finley, welcome to join us.
