從面試角度分析ArrayList原始碼

Java旅途發表於2020-12-15
面試原始碼

注：本系列文章中用到的jdk版本均為java8

ArrayList類圖如下：

ArrayList的底層是由陣列實現的，陣列的特點是固定大小，而ArrayList實現了動態擴容。

ArrayList部分變數如下，在下面的分析中會用到這些變數。

/**
 * 預設容量
 */
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
/**
 * 空的物件陣列
 */
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/**
 * 無參構造器建立的空陣列
 */
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/**
 * 存放資料的陣列的快取變數
 */
transient Object[] elementData;
/**
 * 元素數量
 */
private int size;

一、初始化ArrayList

初始化ArrayList一般會使用以下兩個構造器

1.1 無參構造器

初始化ArrayList的時候如果不指定大小，則會建立一個空陣列。

public ArrayList() {
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

1.2 指定陣列大小的構造器

建立一個預估大小的陣列，指定大小後只是指定了陣列初始值的大小，不影響後面擴容，指定的好處就是可以節省記憶體及時間上的開銷。

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);
    }
}

二、新增元素、動態擴容

ArrayList.add(E e)原始碼：

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

add()中elementData[size++] = e很好理解，就是將元素插入第size個位置，然後將size++，我們重點來看看ensureCapacityInternal(size + 1)方法；

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}

ensureCapacityInternal()方法中判斷快取變數elementData是否為空，也就是判斷是否是第一次新增元素，如果是第一次新增元素，則設定初始化大小為預設容量10，否則為傳入的引數。這個方法的目的就是獲取初始化陣列容量。獲取到初始化容量後呼叫ensureExplicitCapacity(minCapacity)方法；

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;

    // overflow-conscious code
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);
}

ensureExplicitCapacity(minCapacity)方法用來判斷是否需要擴容，假如第一次新增元素，minCapacity為10，elementData容量為0，那麼就需要去擴容。呼叫grow(minCapacity)方法。

// 陣列的最大容量
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

private void grow(int minCapacity) {
    // overflow-conscious code
    int oldCapacity = elementData.length;
    // 擴容大小為原來陣列長度的1.5倍
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    // 擴容容量比需要擴容的長度小，則使用需要擴容的容量
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    // 擴容容量比最大陣列長度大，則使用最大整數長度
    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);
}

grow(minCapacity)方法對陣列進行擴容，擴容大小為原陣列的1.5倍，如果計算出的擴容容量比需要的容量小，則擴容大小為需要的容量，如果擴容容量比陣列最大容量大，則呼叫hugeCapacity(minCapacity)方法，將陣列擴容為整數的最大長度，然後將elemetData陣列指向新擴容的記憶體空間並將元素複製到新空間。

當需要的集合容量特別大時，擴容1.5倍就會非常消耗空間，因此建議初始化時預估一個容量大小。

三、刪除元素

ArrayList提供兩種刪除元素的方法，可以通過索引和元素進行刪除。兩種刪除大同小異，刪除元素後，將後面的元素一次向前移動。

ArrayList.remove(int index)原始碼：

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;
}

刪除元素時，首先會判斷索引是否大於ArrayList的大小，如果索引範圍正確，則將索引位置的下一個元素賦值到索引位置，將ArrayList的大小-1，最後返回移除的元素。操作圖如下，假如我要移除索引為1的元素：

四、總結

ArrayList底層是陣列實現的，可以進行動態擴容，擴容大小為原來的1.5倍，雖然可以通過動態擴容，但是陣列非常大時會特別浪費空間，因此建議初始化時預估陣列大小。ArrayList允許插入重複值和空值。ArrayList實現了RandomAccess介面，支援快速隨機訪問，就是可以通過索引快速查到某個元素，因此遍歷時使用for迴圈的方式效率更高。ArrayList是執行緒不安全的，可以通過Collections.synchronizedList將其轉變為執行緒安全的集合，不過一般不會使用，Vector和CopyOnWriteArrayList是執行緒安全的，Vector效能一般，逐漸被CopyOnWriteArrayList取代了。

點關注、不迷路

如果覺得文章不錯，歡迎關注、點贊、收藏，你們的支援是我創作的動力，感謝大家。

如果文章寫的有問題，請不要吝惜文筆，歡迎留言指出，我會及時核查修改。

如果你還想看到更多別的東西，可以微信搜尋「Java旅途」進行關注。「Java旅途」目前已經整理各種中介軟體的使用教程及各類Java相關的面試題。掃描下方二維碼進行關注就可以得到這些資料。

相關文章