JDK源码分析系列02---ArrayList和LinkList

ArrayList和LinkList的源码分析

概要

ArrayList和LinkList是常用的存储结构,不看源码先分析字面意思,Array意思是数组,可知其底层是用数组实现的,Link意思是链接,可知是以链表实现,这两种数据结构各有什么特点呢?在实际开发中,我们要如何选择?

1.ArrayList

• ArrayList是实现了List接口的可变数组,即动态数组,它不仅实现了List的可选操作,同时允许元素为null,它提供了一些方法来操作数组的大小来保存元素,该类大致相当于Vector,只是ArrayList不是线程安全的.
• 每个ArrayList实例都有一个容量capacity,它是存储元素的数组的大小,其值至少等于list的size,当元素添加到ArrayList中,它的capacity会自动增大.
• 注意ArrayList的实现是非线程安全的,如果多个线程同时访问ArrayList实例,且至少有一个线程修改了元素,那么必须要加锁synchronized.
• 下面是ArrayList的类关系图,可以看出其继承了AbstractList,实现了List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable接口.

1.1基本属性

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
    implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable{
    private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;

    /**
     * 默认初始容量10
     */
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

    /**
     * 空实例的空数组
     */
    private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

    /**
     * 默认空实例的空数组
     */
    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

    /**
     * 存储元素的数组,它的大小就是ArrayList的容量,不用序列化
     */
    transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access

    /**
     * ArrayList元素的大小
     */
    private int size;
}

1.2构造器

/**
 * 构造空的list,并指定初始容量
 *
 * @param  initialCapacity  初始容量
 * @throws IllegalArgumentException 如果初始容量为负数
 */
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);
    }
}

/**
 * 构造空的list,并指定初始容量10
 */
public ArrayList() {
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

/**
 * 构造list,包含指定集合的所有元素
 *
 * @param c 指定的集合
 * @throws NullPointerException 如果指定集合为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;
    }
}

ArrayList list = new ArrayList(),默认容量为10,如果添加超过10个元素,就会造成list的扩容,内部会创建一个新的数组,对效率会有影响,如果有大量的元素添加,那么list就会频繁扩容,效率低下.因此在开发中可以指定初始容量,细节之中可以看出一个人的基本功.

1.3常用方法

/**
 * 返回list元素的数量
 */
public int size() {
    return size;
}

/**
 * 判断list是否包含元素,返回true或false
 */
public boolean isEmpty() {
    return size == 0;
}

/**
 * 判断是够包含指定的元素,返回true或false
 */
public boolean contains(Object o) {
    return indexOf(o) >= 0;
}

/**
 * 返回元素第一次出现的索引index
 * 如果list没有这个元素,返回-1,否则返回第一次出现的index
 * 注意:也可以查询null的索引
 */
public int indexOf(Object o) {
    if (o == null) {
        for (int i = 0; i < size; i++)
            if (elementData[i]==null)
                return i;
    } else {
        for (int i = 0; i < size; i++)
            if (o.equals(elementData[i]))
                return i;
    }
    return -1;
}

/**
 * 返回元素最后一次出现的索引index
 * 如果list没有这个元素,返回-1,否则返回最后一次出现的index
 * 注意:也可以查询null的索引
 */
public int lastIndexOf(Object o) {
    if (o == null) {
        for (int i = size-1; i >= 0; i--)
            if (elementData[i]==null)
                return i;
    } else {
        for (int i = size-1; i >= 0; i--)
            if (o.equals(elementData[i]))
                return i;
    }
    return -1;
}

/**
 * 返回指定索引的元素
 * @param  index 索引
 * @return 元素
 * @throws IndexOutOfBoundsException, 如果index超出数组的范围
 */
public E get(int index) {
    rangeCheck(index);

    return elementData(index);
}

/**
 * 替换指定索引的元素
 *
 * @param index 索引
 * @param element 新元素
 * @return 老元素
 * @throws IndexOutOfBoundsException
 */
public E set(int index, E element) {
    rangeCheck(index);

    E oldValue = elementData(index);
    elementData[index] = element;
    return oldValue;
}

下面重点介绍add()和remove()方法,元素的新增和删除内部是如何实现的呢?

public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

ArrayList新增元素时,也就是在list的尾部添加一个元素,首先修改元素的数量+1

ensureCapacityInternal(size+1),即list的size+1,元素数量加1,详细实现如下:

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;
    // overflow-conscious code
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);
}

元素的数量+1后,判断minCapacity有没有超出当前的容量,如果超出了,就要进行扩容操作grow()

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);
}

其逻辑如下:新容量 = 老容量 + 老容量右移1位(即除以2),也就是大约1.5倍的老容量,为什么说大约呢?因为如果老容量是偶数,那么新容量正好等于1.5倍老容量,如果老容量是奇数11,那么新容量是15.
容量在大,也是有限制的,最大MAX_ARRAYSIZE = Integer.MAXVALUE - 8,有21亿,估计没有人会放这么多的数据吧.

elementData[size++] = e, 然后把新元素e放在新索引的位置,也就是数组的尾部.

ArrayList删除元素有两种,一种是根据索引删除,二是直接删除对象

• 根据索引删除对象

  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;
  }

  举个例子, 有个List包含4个元素A,B,C,D, 现在要删除index=2 的元素C,那么是怎么执行的?
  流程图如下:
  

numMoved = 4 - 2- 1 = 1;
System.arraycopy(elementData, 3, elementData, 2,1);

本质上是把要删除的元素替换为它后面的元素,然后把最后一个元素赋值为null,手动GC,返回老的元素.

• 直接删除对象

  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;
  }

  就是循环遍历数组,当元素第一次出现的时候,删除这个元素,同时返回true,如果元素不存在,那么数组不改变,同时返回false.

2.LinkList

• LinkList是List接口的双向链表实现,不仅实现了List的方法,同时允许元素为null
• 获取index索引的元素时,会从链表的头部或尾部进行查找,哪边近从哪边开始
• 注意该实现是线程非安全
  下面是LinkList的类关系图,它继承了AbstractSequentialList,实现了List, Deque, Cloneable, java.io.Serializable接口
  

2.1基本属性

public class LinkedList<E> extends AbstractSequentialList<E>
implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable{
    transient int size = 0;

    /**
     * 第一个节点,不用序列化
     */
    transient Node<E> first;

    /**
     * 最后一个节点,不用序列化
     */
    transient Node<E> last;
}

2.2构造器

/**
 * 构造空的list
 */
public LinkedList() {
}

/**
 * 构造指定集合的list
 * @param  c 集合
 * @throws NullPointerException 如果集合为null
 */
public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
    this();
    addAll(c);
}

2.3常用方法

添加元素add()

/**
 * 在LinkList的尾部添加元素
 * 这个方法相当于addLast
 * 返回true/false
 */
public boolean add(E e) {
    linkLast(e);
    return true;
}

linkLast的具体实现如下:

void linkLast(E e) {
    //l赋值为last节点
    final Node<E> l = last;
    //创建新的节点e,前面元素是l,后面是null
    final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
    //把新的节点标记为last节点
    last = newNode;
    //判断是不是第一个节点
    //如果是,新的节点就是第一个节点
    if (l == null)
        first = newNode;
    else
    //如果不是,之前的最后一个节点后面是新的节点
        l.next = newNode;
    size++;
    modCount++;
  }

删除元素remove()

public boolean remove(Object o) {
    if (o == null) {
        for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
            if (x.item == null) {
                unlink(x);
                return true;
            }
        }
    } else {
        for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
            if (o.equals(x.item)) {
                unlink(x);
                return true;
            }
        }
    }
    return false;
}

从头部遍历所有的节点,如果当前节点元素与要删除的节点元素相同,那么移除当前节点,如果LinkList包含多个要删除的元素,那么只会删除index较小的那个节点.

3.总结

1. ArrayList实现了RandomAccess,随机读取数据速度较快,它有索引index,会直接读取数组的索引,效率很高,但是新增和删除元素,内部进行数组的动态复制,效率低，如果遇到大量的数据add操作，频繁扩容，性能更差
2. LinkList新增元素就是创建了一个新的节点,只要把last节点指向最后一个元素即可,效率很高,删除元素,就是移除指定的节点,同时调整前后的节点即可,但是对于随机访问元素,它需要判断当前index离头部和尾部哪个更近,然后去依次查找,效率低下
3. 所以对于随机快速读取数据,可以使用ArrayList,对于快速新增和删除元素,可以使用LinkList