【131期】面试必会之ArrayList源码分析&手写ArrayList
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阶段汇总集合：++小Flag实现，一百期面试题汇总++
注：本文所有方法和示例基于jdk1.8
简介
ArrayList是我们开发中非常常用的数据存储容器之一，其底层是数组实现的，我们可以在集合中存储任意类型的数据，ArrayList是线程不安全的，非常适合用于对元素进行查找，效率非常高。
线程安全性
对ArrayList的操作一般分为两个步骤，改变位置(size)和操作元素(e)。所以这个过程在多线程的环境下是不能保证具有原子性的，因此ArrayList在多线程的环境下是线程不安全的。
源码分析
1. 属性分析
/** * 默认初始化容量 */private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
/** * 如果自定义容量为0，则会默认用它来初始化ArrayList。或者用于空数组替换。 */private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/** * 如果没有自定义容量，则会使用它来初始化ArrayList。或者用于空数组比对。 */private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/** * 这就是ArrayList底层用到的数组
* 非私有，以简化嵌套类访问 * transient 在已经实现序列化的类中，不允许某变量序列化 */
transient Object[] elementData;
/** * 实际ArrayList集合大小 */private int size;
/** * 可分配的最大容量 */private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
扩展：什么是序列化
序列化是指：将对象转换成以字节序列的形式来表示，以便用于持久化和传输。
实现方法：实现Serializable接口。
然后用的时候拿出来进行反序列化即可又变成Java对象。
transient关键字解析
Java中transient关键字的作用，简单地说，就是让某些被修饰的成员属性变量不被序列化。
有了transient关键字声明，则这个变量不会参与序列化操作，即使所在类实现了Serializable接口，反序列化后该变量为空值。
那么问题来了：ArrayList中数组声明：transient Object[] elementData;，事实上我们使用ArrayList在网络传输用的很正常，并没有出现空值。
原来：ArrayList在序列化的时候会调用writeObject()方法，将size和element写入ObjectOutputStream；反序列化时调用readObject()，从ObjectInputStream获取size和element，再恢复到elementData。
那为什么不直接用elementData来序列化，而采用上诉的方式来实现序列化呢？
原因在于elementData是一个缓存数组，它通常会预留一些容量，等容量不足时再扩充容量，那么有些空间可能就没有实际存储元素，采用上诉的方式来实现序列化时，就可以保证只序列化实际存储的那些元素，而不是整个数组，从而节省空间和时间。
2. 构造方法分析
根据initialCapacity 初始化一个空数组，如果值为0，则初始化一个空数组:
/** * 根据initialCapacity 初始化一个空数组 */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); }}
不带参数初始化，默认容量为10:
/** * 不带参数初始化，默认容量为10 */public ArrayList() { this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;}
通过集合做参数的形式初始化：如果集合为空，则初始化为空数组：
/** * 通过集合做参数的形式初始化 */public ArrayList(Collection 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; }}
3. 主干方法
trimToSize()方法：
用来最小化实例存储，将容器大小调整为当前元素所占用的容量大小。
/** * 这个方法用来最小化实例存储。 */public void trimToSize() { modCount++; if (size < elementData.length) { elementData = (size == 0) ? EMPTY_ELEMENTDATA : Arrays.copyOf(elementData, size); }}
clone()方法
用来克隆出一个新数组。
public Object clone() { try { ArrayList v = (ArrayList) super.clone(); v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, size); v.modCount = 0; return v; } catch (CloneNotSupportedException e) { // this shouldn't happen, since we are Cloneable throw new InternalError(e); }}
通过调用Object的clone()方法来得到一个新的ArrayList对象，然后将elementData复制给该对象并返回。
add(E e)方法
在数组末尾添加元素
/** * 在数组末尾添加元素 */public boolean add(E e) { ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!! elementData[size++] = e; return true;}
看到它首先调用了ensureCapacityInternal()方法.注意参数是size+1,这是个面试考点。
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) { ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));}
这个方法里又嵌套调用了两个方法:计算容量+确保容量
计算容量：如果elementData是空，则返回默认容量10和size+1的最大值，否则返回size+1
private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) { if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) { return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity); } return minCapacity;}
计算完容量后，进行确保容量可用：(modCount不用理它，它用来计算修改次数)
如果size+1 > elementData.length证明数组已经放满，则增加容量，调用grow()。
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) { modCount++;
// overflow-conscious code if (minCapacity - elementData.length > 0) grow(minCapacity);}
增加容量：默认1.5倍扩容。
获取当前数组长度=>oldCapacity
oldCapacity>>1 表示将oldCapacity右移一位(位运算)，相当于除2。再加上1，相当于新容量扩容1.5倍。
如果newCapacity>1=1`，则`newcapacity>,1<2所以如果不处理该情况，扩容将不能正确完成。
如果新容量比最大值还要大，则将新容量赋值为VM要求最大值。
将elementData拷贝到一个新的容量中。
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);}
size+1的问题
好了，那到这里可以说一下为什么要size+1。
size+1代表的含义是：
如果集合添加元素成功后，集合中的实际元素个数。
为了确保扩容不会出现错误。
假如不加一处理，如果默认size是0，则0+0>>1还是0。如果size是1，则1+1>>1还是1。有人问:不是默认容量大小是10吗?事实上，jdk1.8版本以后，ArrayList的扩容放在add()方法中。之前放在构造方法中。我用的是1.8版本，所以默认ArrayList arrayList = new ArrayList();后，size应该是0.所以,size+1对扩容来讲很必要.
public static void main(String[] args) { ArrayList arrayList = new ArrayList(); System.out.println(arrayList.size());}
输出:0
事实上上面的代码是证明不了容量大小的，因为size只会在调用add()方法时才会自增。有办法的小伙伴可以在评论区大显神通。
add(int index, E element)方法
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++;}
rangeCheckForAdd()是越界异常检测方法。ensureCapacityInternal()之前有讲，着重说一下System.arrayCopy方法：
public static void arraycopy(Object src, int srcPos, Object dest, int destPos, int length)
代码解释:
Object src : 原数组
int srcPos : 从元数据的起始位置开始
Object dest : 目标数组
int destPos : 目标数组的开始起始位置
int length : 要copy的数组的长度
示例：size为6，我们调用add(2,element)方法，则会从index=2+1=3的位置开始，将数组元素替换为从index起始位置为index=2，长度为6-2=4的数据。
异常处理：
private void rangeCheckForAdd(int index) { if (index > size || index < 0) throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));}
set(int index,E element)方法
public E set(int index, E element) { rangeCheck(index);
E oldValue = elementData(index); elementData[index] = element; return oldValue;}
E elementData(int index) { return (E) elementData[index];}
逻辑很简单，覆盖旧值并返回。
indexOf(Object o)方法
根据Object对象获取数组中的索引值。
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;}
如果o为空，则返回数组中第一个为空的索引；不为空也类似。
注意：通过源码可以看到，该方法是允许传空值进来的。
get(int index)方法
返回指定下标处的元素的值。
public E get(int index) { rangeCheck(index);
return elementData(index);}
rangeCheck(index)会检测index值是否合法，如果合法则返回索引对应的值。
remove(int index)方法
删除指定下标的元素。
public E remove(int index) { // 检测index是否合法 rangeCheck(index); // 数据结构修改次数 modCount++; E oldValue = elementData(index);
// 记住这个算法 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;}
这里又碰到了System.arraycopy()方法，详情请查阅上文。
大概思路：将该元素后面的元素前移，最后一个元素置空。
ArrayList优缺点
优点：
因为其底层是数组，所以修改和查询效率高。
可自动扩容(1.5倍)。
缺点：
插入和删除效率不高。
线程不安全。
手写ArrayList
那面试手写ArrayList应该就不是问题了。
下面贴出我手写的一个简单阉割版的ArrayList：
public class MyArrayList {
// 非私有，以简化嵌套类访问 // transient 在已经实现序列化的类中，不允许某变量序列化 transient Object[] elementData;
//默认容量 private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
// 用于空实例的 空数组实例 private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {}; // 实际ArrayList集合大小 private int size; /** * 构造方法 */ public MyArrayList(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); } } public MyArrayList(){ this(DEFAULT_CAPACITY); }
public void add(Object o){ //1. 判断数据容量是否大于 elementData ensureExplicitCapacity(size+1); //2. 使用下标进行赋值 elementData[size++] = o; } private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity){ if (size == elementData.length){ // 需要扩容,扩容1.5倍(ArrayList默认扩容1.5倍) // 注意：如果oldCapacity值为1 int oldCapacity = elementData.length; int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // 如果新容量 < 最小容量， 则将最小容量赋值给新容量 // 如果 oldCapacity=1, 则 minCapacity=1+1=2 newCapacity=1+(1>>1)=1 if (newCapacity - minCapacity < 0){ newCapacity = minCapacity; } // 创建新数组 Object[] objects = new Object[newCapacity]; // 将数据复制给新数组 System.arraycopy(elementData, 0, objects, 0, elementData.length); // 修改引用 elementData = objects; } } public Object get(int index) { rangeCheck(index); return elementData[index]; } private void rangeCheck(int index) { if (index >= size) throw new IndexOutOfBoundsException("下标越界"); }
/** * 通过下标删除 * @param index * @return */ public Object remove(int index) { rangeCheck(index);
// modCount++; // 先查出元素 Object oldValue = elementData[index]; // 找出置换结束位置 int numMoved = size - index - 1; if (numMoved > 0) // 从 index+1 开始 将值覆盖为 index-numMoved 的值 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) { for (int index = 0; index < size; index++){ if (o.equals(elementData[index])) { remove(index); return true; } } return false; }}
来源：Java知音
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