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分析Java中ArrayList与LinkedList列表结构的源码

2016-7-29 15:34| 发布者: zhangjf| 查看: 673| 评论: 0

摘要: 一、ArrayList源码分析（JDK7） ArrayList内部维护了一个动态的Object数组，ArrayList的动态增删就是对这个对组的动态的增加和删除。 1、ArrayList构造以及初始化 ArrayList实例变量//ArrayList默认容量private stat ...

一、ArrayList源码分析（JDK7）

ArrayList内部维护了一个动态的Object数组，ArrayList的动态增删就是对这个对组的动态的增加和删除。

1、ArrayList构造以及初始化

  2. ArrayList实例变量
  3. //ArrayList默认容量
  4. private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
  5. //默认空的Object数组， 用于定义空的ArrayList
  6. private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
  7. //ArrayList存放存放元素的Object数组
  8. private transient Object[] elementData;
  9. //ArrayList中元素的数量
  10. private int size;
复制代码

ArrayList构造函数：

无参构造函数: 即构造一个空的Object[]

  2. public ArrayList() {
  3. super();
  4. this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
  5. }
复制代码

指定容量大小构造：

  2. public ArrayList(int initialCapacity) {
  3. super();
  4. if (initialCapacity < 0)
  5. throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
  6. initialCapacity);
  7. this.elementData = new Object[initialCapacity];
  8. }
复制代码

指定某一实现Collection接口的集合构造：

  2. public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
  3. elementData = c.toArray();
  4. size = elementData.length;
  5. // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
  6. if (elementData.getClass() != Object[].class)
  7. elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
  8. }
复制代码

这里也说明了Collection的作用， java-collection-framwork设计Collection接口而不是直接使用List，Set等接口的原因。

2、ArrayList的容量分配机制

ArrayList的容量上限： ArrayList容量是有上限的，理论允许分配Integer.Max_VALUE - 8大小的容量。但是能分配多少还跟堆栈设置有关， 需要设置VM参数

  2. private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
复制代码

调用Add方法时扩容规则

  2. public boolean add(E e) {
  3. ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
  4. elementData[size++] = e;
  5. return true;
  6. }
复制代码

ensureCapacityInternal(int)方法实际上确定一个最小扩容大小。

  2. private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
  3. if (elementData == EMPTY_ELEMENTDATA) {
  4. minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
  5. }
  6. ensureExplicitCapacity(minCapacity);
  7. }
  8. private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
  9. modCount++;
  10. // overflow-conscious code
  11. if (minCapacity - elementData.length > 0)
  12. grow(minCapacity);
  13. }
复制代码

关于modCount： modCount定义在抽象类AbstratList中， 源码的注释基本说明了它的用处:在使用迭代器遍历的时候，用来检查列表中的元素是否发生结构性变化（列表元素数量发生改变的一个计数）了，主要在多线程环境下需要使用，防止一个线程正在迭代遍历，另一个线程修改了这个列表的结构。
grow方法为真正的扩容方法

  2. private void grow(int minCapacity) {
  3. // overflow-conscious code
  4. int oldCapacity = elementData.length;
  5. int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
  6. if (newCapacity - minCapacity < 0)
  7. newCapacity = minCapacity;
  8. if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
  9. newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
  10. // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
  11. elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
  12. }
复制代码

其中对大容量扩容多少还有个hugeCapacity方法

  2. private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
  3. if (minCapacity < 0) // overflow
  4. throw new OutOfMemoryError();
  5. return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
  6. Integer.MAX_VALUE :
  7. MAX_ARRAY_SIZE;
  8. }
复制代码

总结：
每次扩容都会伴随着数组的复制操作， 因此一次给定恰当的容量会提高一点性能。
下图是我归纳的整个扩容流程：

201651185223963.png (3184×650)

3.ArrayList迭代器

ArrayList的迭代器主要有两种Itr和ListItr, 但是在jDK1.8中还添加了一个ArrayListSpliterator, 下面分别学一下Itr和ListItr的源码分析。

（1）Itr:只能向后遍历

  2. private class Itr implements Iterator<E> {
  3. int cursor; // index of next element to return
  4. int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such
  5. //expectedModCount 是modCount的一个副本
  6. int expectedModCount = modCount;
  7. public boolean hasNext() {
  8. return cursor != size;
  9. }
  10. @SuppressWarnings("unchecked")
  11. public E next() {
  12. checkForComodification();
  13. //记录当前位置
  14. int i = cursor;
  15. if (i >= size)
  16. throw new NoSuchElementException();
  17. Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
  18. if (i >= elementData.length)
  19. throw new ConcurrentModificationException();
  20. //下一个元素的位置
  21. cursor = i + 1;
  22. return (E) elementData[lastRet = i];
  23. }
  24. //使用迭代器的remove方法
  25. public void remove() {
  26. if (lastRet < 0)
  27. throw new IllegalStateException();
  28. checkForComodification();
  29. try {
  30. //注意内部类调用外部类的方式
  31. ArrayList.this.remove(lastRet);
  32. //remove之后需要重新调整各个指针的位置
  33. cursor = lastRet;
  34. lastRet = -1;
  35. expectedModCount = modCount;
  36. } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
  37. throw new ConcurrentModificationException();
  38. }
  39. }
  40. final void checkForComodification() {
  41. if (modCount != expectedModCount)
  42. throw new ConcurrentModificationException();
  43. }
  44. }
复制代码

从源码中可以看出Itr迭代器是向前迭代器， 它提供了一个next方法用于获取ArrayList中的元素。
checkForComodification是java-collection-framwork中的一种fail-fast的错误检测机制。在多线程环境下对同一个集合操作，就可能触发fail-fast机制， 抛出ConcurrentModificationException异常。

Itr迭代器定义了一个expectedModCount记录modCount副本。在ArrayList执行改变结构的操作的时候例如Add， remove， clear方法时modCount的值会改变。

通过Itr源码可以看出调用next和remove方法会触发fail-fast检查。此时如果在遍历该集合时， 存在其他线程正在执行改变该集合结构的操作时就会发生异常。

（2）ListItr：支持向前和向后遍历，下面看看ListItr的源码：

  2. private class ListItr extends Itr implements ListIterator<E> {
  3. ListItr(int index) {
  4. super();
  5. cursor = index;
  6. }
  7. public boolean hasPrevious() {
  8. return cursor != 0;
  9. }
  10. public int nextIndex() {
  11. return cursor;
  12. }
  13. public int previousIndex() {
  14. return cursor - 1;
  15. }
  16. @SuppressWarnings("unchecked")
  17. public E previous() {
  18. checkForComodification();
  19. //arrayList前一个元素的位置
  20. int i = cursor - 1;
  21. if (i < 0)
  22. throw new NoSuchElementException();
  23. Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
  24. if (i >= elementData.length)
  25. throw new ConcurrentModificationException();
  26. cursor = i;
  27. return (E) elementData[lastRet = i];
  28. }
  29. //该迭代器中添加了set方法
  30. public void set(E e) {
  31. if (lastRet < 0)
  32. throw new IllegalStateException();
  33. checkForComodification();
  34. try {
  35. ArrayList.this.set(lastRet, e);
  36. } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
  37. throw new ConcurrentModificationException();
  38. }
  39. }
  40. //该迭代器添加了add方法
  41. public void add(E e) {
  42. checkForComodification();
  43. try {
  44. int i = cursor;
  45. ArrayList.this.add(i, e);
  46. //重新标记指针位置
  47. cursor = i + 1;
  48. lastRet = -1;
  49. expectedModCount = modCount;
  50. } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
  51. throw new ConcurrentModificationException();
  52. }
  53. }
  54. }
复制代码

ListItr的实现基本与Itr一致， 添加了可以先前遍历的方法以及add与set方法。

（3）使用java.util.concurrent中的CopyOnWriteArrayList解决fast-fail问题

CopyOnWriteArrayList是线程安全的， 具体看一下它的add方法源码：

  2. public boolean add(E e) {
  3. final ReentrantLock lock = this.lock;
  4. lock.lock();
  5. try {
  6. Object[] elements = getArray();
  7. int len = elements.length;
  8. Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
  9. newElements[len] = e;
  10. setArray(newElements);
  11. return true;
  12. } finally {
  13. lock.unlock();
  14. }
  15. }
复制代码

CopyOnWriteArrayList就是写时复制的ArrayList。当开始写数据的操作时候， Arrays.copyOf一个新的数组， 这样不会影响读操作。
这样的代价就是会损耗内存， 带来性能的问题。CopyOnWriteArrayList写的时候在内存中生成一个副本对象， 同时原来的对象仍然存在。
CopyOnWriteArrayList无法保证数据实时的一致， 只能保证结果的一致。适用于并发下读多写少得场景， 例如缓存。

（4）ArrayList的其他方法源码：

一个私有方法batchRemove(Collectionc, boolean complement)， 即批量移除操作

  2. private boolean batchRemove(Collection<?> c, boolean complement) {
  3. //下面会提到使用final的原因
  4. final Object[] elementData = this.elementData;
  5. int r = 0, w = 0;
  6. boolean modified = false;
  7. try {
  8. //遍历List中的元素，进行验证
  9. for (; r < size; r++)
  10. if (c.contains(elementData[r]) == complement)
  11. elementData[w++] = elementData[r];
  12. } finally {
  13. //try中如果出现异常，则保证数据一致性执行下面的copy操作
  14. if (r != size) {
  15. System.arraycopy(elementData, r,
  16. elementData, w,
  17. size - r);
  18. w += size - r;
  19. }
  20. //清理无用的元素， 通知GC回收
  21. if (w != size) {
  22. // clear to let GC do its work
  23. for (int i = w; i < size; i++)
  24. elementData[i] = null;
  25. modCount += size - w;
  26. size = w;
  27. modified = true;
  28. }
  29. }
  30. return modified;
  31. }
复制代码

final修饰的变量指的是同一个引用， 为了后面保持数据的一致性。
此方法，想保留Collection c中的元素时， complement值为true； 想移除c中的元素时， complement值为false。这样就分别变成了retainAll和removeAll方法。

swap：交换arrayList中的某两个位置的

二、LinkedList源码分析（JDK7）

LinkedList即链表， 相对于顺序表， 链表存储数据不需要使用地址连续的内存单元。减少了修改容器结构而带来的移动元素的问题，顺序访问相对高效。

1、结点（Node）的定义

JDK中的LinkedList是双向链表， 每个结点分别存有上一个结点和下一个结点的信息。它的定义如下：

  2. private static class Node<E> {
  3. E item;
  4. Node<E> next;
  5. Node<E> prev;
  6. Node<E> (Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
  7. this.item = element;
  8. this.next = next;
  9. this.prev = prev;
  10. }
  11. }
复制代码

2、LinkedList构造以及初始化

成员： LinkedList中维护了3个成员变量， 用以记录链表中结点的个数， 结点的前驱以及后继

  2. transient int size = 0;
  3. transient Node<E> first;
  4. transient Node<E> last;
复制代码

构造函数： 默认构造函数即构造一个空的LinkedList

  2. public LinkedList() {}
复制代码

或者根据其他容器进行构造， 后面我们会自己写一个构造一个有序的链表

  2. public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
  3. this();
  4. addAll(c);
  5. }
复制代码

这里给出一点补充， 关于泛型修饰符? super T 与 ? extends T的区别，参见这篇文章泛型中? super T和? extends T的区别

3、LinkedList的结构操作

头插法： 即在链表头插入一个元素

  2. private void linkFirst(E e) {
  3. final Node<E> f = first;
  4. final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
  5. first = newNode;
  6. //判断是否是空链表
  7. if (f == null)
  8. last = newNode;
  9. else
  10. f.prev = newNode;
  11. size++;
  12. modCount++;
  13. }
复制代码

尾插法： 即在链表尾部插入一个元素

  2. void linkLast(E e) {
  3. final Node<E> l = last;
  4. final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
  5. last = newNode;
  6. if (l == null)
  7. first = newNode;
  8. else
  9. l.next = newNode;
  10. size++;
  11. modCount++;
  12. }
复制代码

插入到当前结点之前： 找当前结点的前驱

  2. void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
  3. //确定当然结点非空
  4. final Node<E> pred = succ.prev;
  5. final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
  6. succ.prev = newNode;
  7. //判断当前结点是否是第一个结点
  8. if (pred == null)
  9. first = newNode;
  10. else
  11. pred.next = newNode;
  12. size++;
  13. modCount++;
  14. }
复制代码

头删法： 删除链表的第一个结点

  2. private E unlinkFirst(Node<E> f) {
  3. // assert f == first && f != null;
  4. final E element = f.item;
  5. final Node<E> next = f.next;
  6. f.item = null;
  7. f.next = null; // help GC
  8. first = next;
  9. if (next == null)
  10. last = null;
  11. else
  12. next.prev = null;
  13. size--;
  14. modCount++;
  15. return element;
  16. }
复制代码

尾删法：删除链表的最后一个结点

  2. private E unlinkLast(Node<E> l) {
  3. //保证l==last 并且l != null
  4. final E element = l.item;
  5. final Node<E> prev = l.prev;
  6. l.item = null;
  7. l.prev = null; // help GC
  8. last = prev;
  9. if (prev == null)
  10. first = null;
  11. else
  12. prev.next = null;
  13. size--;
  14. modCount++;
  15. return element;
  16. }
复制代码

4、保持List接口与Deque的一致性

List接口允许使用下标来实现对容器的随机访问，对于数组这种实现随机访问是很容易的。对于链表，JDK也从逻辑上利用链表中结点的计数给出了随机访问的实现

  2. Node<E> node(int index) {
  3. //确保index的正确性
  4. if (index < (size >> 1)) {
  5. Node<E> x = first;
  6. for (int i = 0; i < index; i++)
  7. x = x.next;
  8. return x;
  9. } else {
  10. Node<E> x = last;
  11. for (int i = size - 1; i > index; i--)
  12. x = x.prev;
  13. return x;
  14. }
  15. }
复制代码

index 属于前半部分的计数， 从头遍历查找。index属于后半部分的计数， 从末尾遍历查找。充分利用双向链表的特点。
因此，add(int index, T t), get(int), set(int)等方法就可以很容易的实现。

LinkedList实现了Deque接口， 也就是LinkedList实现了双端队列容器的方法，下面给出一些API的总结。

5、LinkedList的遍历

既然LinkedList是双向链表， 自然就可以前后遍历。与ArrayList同样， 涉及到多线程操作容器的时候LinkedList也会出现fail-fast问题。
对于fail-fast问题上篇已经讲解过， 这里就不说了。

关于迭代器，LinkedList有listIterator双向迭代器， 和DescendingIterator逆序迭代器。都很简单。源码不在分析

如果遍历元素的话， 随机访问的代价是比较大得。

三、LinkedList，ArrayList， Vector总结

1、LinkedList与ArrayList

ArrayList是实现了基于动态数组的数据结构，LinkedList基于链表的数据结构。

对于随机访问get和set，ArrayList觉得优于LinkedList，因为LinkedList要移动指针。

对于新增和删除操作add和remove，LinedList比较占优势，因为ArrayList要移动数据。这一点要看实际情况的。若只对单条数据插入或删除，ArrayList的速度反而优于LinkedList。但若是批量随机的插入删除数据，LinkedList的速度大大优于ArrayList. 因为ArrayList每插入一条数据，要移动插入点及之后的所有数据。

2、ArrayList与Vector

vector是线程同步的，所以它也是线程安全的，而arraylist是线程异步的，是不安全的。如果不考虑到线程的安全因素，一般用arraylist效率比较高。

如果集合中的元素的数目大于目前集合数组的长度时，vector增长率为目前数组长度的100%,而arraylist增长率为目前数组长度的50%.如过在集合中使用数据量比较大的数据，用vector有一定的优势。

如果查找一个指定位置的数据，vector和arraylist使用的时间是相同的，都是0(1),这个时候使用vector和arraylist都可以。而如果移动一个指定位置的数据花费的时间为0(n-i)n为总长度，这个时候就应该考虑到使用linklist,因为它移动一个指定位置的数据所花费的时间为0(1),而查询一个指定位置的数据时花费的时间为0(i)。

ArrayList 和Vector是采用数组方式存储数据，此数组元素数大于实际存储的数据以便增加和插入元素，都允许直接序号索引元素，但是插入数据要设计到数组元素移动等内存操作，所以索引数据快插入数据慢，Vector由于使用了synchronized方法（线程安全）所以性能上比ArrayList要差，LinkedList使用双向链表实现存储，按序号索引数据需要进行向前或向后遍历，但是插入数据时只需要记录本项的前后项即可，所以插入数度较快！

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