java数据结构ArrayList详解_java（arraylist的数据结构）
2022-03-01
目录
- 简介
- 成员变量
- 构造函数
- 无参构造函数
- 构造一个初始容量大小为 initialCapacity 的 ArrayList
- 使用指定 Collection 来构造 ArrayList 的构造函数
- 主要操作方法解析
- add 操作
- remove 操作
- get操作
- 迭代器 iterator
- 总结
简介
ArrayList 是 java 集合框架中比较常用的数据结构了。继承自 AbstractList，实现了 List 接口。底层基于数组实现容量大小动态变化。允许 null 的存在。同时还实现了 RandomAccess、Cloneable、Serializable 接口，所以ArrayList 是支持快速访问、复制、序列化的。
成员变量
ArrayList 底层是基于数组来实现容量大小动态变化的。
/** * The size of the ArrayList (the number of elements it contains). */ private int size; // 实际元素个数 transient Object[] elementData;
注意：上面的 size 是指 elementData 中实际有多少个元素，而 elementData.length 为集合容量，表示最多可以容纳多少个元素。
默认初始容量大小为 10;
/** * Default initial capacity. */ private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
这个变量是定义在 AbstractList 中的。记录对 List 操作的次数。主要使用是在 Iterator，是防止在迭代的过程中集合被修改。
protected transient int modCount = 0;
下面两个变量是用在构造函数里面的
/**
* 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 = {};
两个空的数组有什么区别呢？ We distinguish this from EMPTY_ELEMENTDATA to know how much to inflate when first element is added. 简单来讲就是第一次添加元素时知道该 elementData 从空的构造函数还是有参构造函数被初始化的。以便确认如何扩容。
构造函数
无参构造函数
/**
* Constructs an empty list with an initial capacity of ten.
*/
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
注意：注释是说构造一个容量大小为 10 的空的 list 集合，但构造函数了只是给 elementData 赋值了一个空的数组，其实是在第一次添加元素时容量扩大至 10 的。
构造一个初始容量大小为 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);
}
}
由以上源码可见： 当使用无参构造函数时是把 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 赋值给 elementData。 当 initialCapacity 为零时则是把 EMPTY_ELEMENTDATA 赋值给 elementData。 当 initialCapacity 大于零时初始化一个大小为 initialCapacity 的 object 数组并赋值给 elementData。
使用指定 Collection 来构造 ArrayList 的构造函数
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;
}
}
将 Collection 转化为数组并赋值给 elementData，把 elementData 中元素的个数赋值给 size。 如果 size 不为零，则判断 elementData 的 class 类型是否为 Object[]，不是的话则做一次转换。 如果 size 为零，则把 EMPTY_ELEMENTDATA 赋值给 elementData，相当于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);
}
由此可见：每次添加元素到集合中时都会先确认下集合容量大小。然后将 size 自增 1。ensureCapacityInternal 函数中判断如果 elementData =DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 就取 DEFAULT_CAPACITY 和 minCapacity 的最大值也就是 10。这就是 EMPTY_ELEMENTDATA 与DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 的区别所在。同时也验证了上面的说法：使用无惨构造函数时是在第一次添加元素时初始化容量为 10 的。ensureExplicitCapacity 中对 modCount 自增 1，记录操作次数，然后如果 minCapacity 大于 elementData 的长度，则对集合进行扩容。显然第一次添加元素时 elementData 的长度为零。那我们来看看 grow 函数。
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);
}
很简单明了的一个函数，默认将扩容至原来容量的 1.5 倍。但是扩容之后也不一定适用，有可能太小，有可能太大。所以才会有下面两个 if 判断。如果1.5倍太小的话，则将我们所需的容量大小赋值给newCapacity，如果1.5倍太大或者我们需要的容量太大，那就直接拿 newCapacity = (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ? Integer.MAX_VALUE : MAX_ARRAY_SIZE 来扩容。然后将原数组中的数据复制到大小为 newCapacity 的新数组中，并将新数组赋值给 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;
}
有以上源码可知，add(int index, E element)，addAll(Collection<? extends E> c)，addAll(int index, Collection<? extends E> c) 操作是都是先对集合容量检查 ，以确保不会数组越界。然后通过 System.arraycopy() 方法将旧数组元素拷贝至一个新的数组中去。
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
}
当我们调用 remove(int index) 时，首先会检查 index 是否合法，然后再判断要删除的元素是否位于数组的最后一个位置。如果 index 不是最后一个，就再次调用 System.arraycopy() 方法拷贝数组。说白了就是将从 index + 1 开始向后所有的元素都向前挪一个位置。然后将数组的最后一个位置空，size - 1。如果 index 是最后一个元素那么就直接将数组的最后一个位置空，size - 1即可。 当我们调用 remove(Object o) 时，会把 o 分为是否为空来分别处理。然后对数组做遍历，找到第一个与 o 对应的下标 index，然后调用 fastRemove 方法，删除下标为 index 的元素。其实仔细观察 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);
}
由于 ArrayList 底层是基于数组实现的，所以获取元素就相当简单了，直接调用数组随机访问即可。
迭代器 iterator
有使用过集合的都知道，在用 for 遍历集合的时候是不可以对集合进行 remove操作的，因为 remove 操作会改变集合的大小。从而容易造成结果不准确甚至数组下标越界，更严重者还会抛出 ConcurrentModificationException。
foreach 遍历等同于 iterator。为了搞清楚异常原因，我们还必须过一遍源码。
public Iterator<E> iterator() {
return new Itr();
}
原来是直接返回一个 Itr 对象。
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();
}
}
从源码可以看出，ArrayList 定义了一个内部类 Itr 实现了 Iterator 接口。在 Itr 内部有三个成员变量。 cursor：代表下一个要访问的元素下标。 lastRet：代表上一个要访问的元素下标。 expectedModCount：代表对 ArrayList 修改次数的期望值，初始值为 modCount。
下面看看 Itr 的三个主要函数。
- hasNext 实现比较简单，如果下一个元素的下标等于集合的大小 ，就证明到最后了。
- next 方法也不复杂，但很关键。首先判断 expectedModCount 和 modCount 是否相等。然后对 cursor 进行判断，看是否超过集合大小和数组长度。然后将 cursor 赋值给 lastRet ，并返回下标为 lastRet 的元素。最后将 cursor 自增 1。开始时，cursor = 0，lastRet = -1；每调用一次 next 方法， cursor 和 lastRet 都会自增 1。
- remove 方法首先会判断 lastRet 的值是否小于 0，然后在检查 expectedModCount 和 modCount 是否相等。接下来是关键，直接调用 ArrayList 的 remove 方法删除下标为 lastRet 的元素。然后将 lastRet 赋值给 cursor ，将 lastRet 重新赋值为 -1，并将 modCount 重新赋值给 expectedModCount。
下面我们一步一步来分析 Itr 的操作。如图一所示，开始时 cursor 指向下标为 0 的元素，lastRet 指向下标为 -1 的元素，也就是 null。每调用一次 next，cursor 和lastRet 就分别会自增 1。当 next 返回 “C” 时，cursor 和 lastRet 分别为 3 和 2 [图二]。
此时调用 remove，注意是 ArrayList 的 remove，而不是 Itr 的 remove。会将 D E 两个元素直接往前移动一位，最后一位置空，并且 modCount 会自增 1。从 remove 方法可以看出。[图三]。
此时 cursor = 3，size = 4，没有到数组末尾，所以循环继续。来到 next 方法，因为上一步的 remove 方法对 modCount 做了修改 ，致使 expectedModCount 与 modCount 不相等，这就是 ConcurrentModificationException 异常的原因所在。从例子.png中也可以看出异常出自 ArrayList 中的内部类 Itr 中的 checkForComodification 方法。
异常的解决：
直接调用 iterator.remove() 即可。因为在该方法中增加了 expectedModCount = modCount 操作。但是这个 remove 方法也有弊端。
- 1、只能进行remove操作，add、clear 等 Itr 中没有。
- 2、调用 remove 之前必须先调用 next。因为 remove 开始就对 lastRet 做了校验。而 lastRet 初始化时为 -1。
- 3、next 之后只可以调用一次 remove。因为 remove 会将 lastRet 重新初始化为 -1
总结
ArrayList 底层基于数组实现容量大小动态可变。 扩容机制为首先扩容为原始容量的 1.5 倍。如果1.5倍太小的话，则将我们所需的容量大小赋值给 newCapacity，如果1.5倍太大或者我们需要的容量太大，那就直接拿 newCapacity = (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ? Integer.MAX_VALUE : MAX_ARRAY_SIZE 来扩容。 扩容之后是通过数组的拷贝来确保元素的准确性的，所以尽可能减少扩容操作。 ArrayList 的最大存储能力：Integer.MAX_VALUE。 size 为集合中存储的元素的个数。elementData.length 为数组长度，表示最多可以存储多少个元素。 如果需要边遍历边 remove ，必须使用 iterator。且 remove 之前必须先 next，next 之后只能用一次 remove。