集合操作(一)ArrayList,LinkedList源码分析

ArrayList:

构造函数：

ArrayList提供了三种方式的构造器，可以构造一个默认初始容量为10的空列表、构造一个指定初始容量的空列表以及构造一个包含指定collection的元素的列表，这些元素按照该collection的迭代器返回它们的顺序排列的。

ArrayList底层是使用一个Object类型的数组来存放数据的。

transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access

size变量代表List实际存放元素的数量

private int size;

不指定ArrayList大小时，默认数组大小为10

private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

接下来看几个常用的方法：

add:

1.

public boolean add(E e) {
ensureCapacityInternal(size + 1);  // 扩容检测
elementData[size++] = e; //新增元素加到末尾
return true;
}

2.

public void add(int index, E element) {
rangeCheckForAdd(index);

ensureCapacityInternal(size + 1);  //扩容检测
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
size - index); //使用System.arraycopy的方法，将index后面元素往后移动1位
elementData[index] = element;  // 存放元素到index位置
size++;
}

set,get

get和set方法，都是通过数组下标，直接操作数据的，时间复杂度为O(1)

public E get(int index) {
rangeCheck(index);

return elementData(index);
}

public E set(int index, E element) {
rangeCheck(index);

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

我们重点关注ArrayList的扩容策略，这也是我们在实际工作中决定是否选择ArrayList需要考虑的

像之前add方法里，每次增加元素时都会进行扩容检测，如果数组大小不足，则会自动扩容；如果扩容后的大小超出数组最大的大小，则会抛出异常。

ensureCapacityInternal(size + 1); // 扩容检测

那么ArrayList最大长度可以看一下定义,是Integer的最大长度-8，Integer是4个字节，那么ArrayList的最大长度就是2^32-8

private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

扩容：

接下来看一下具体的扩容过程：

ArrayList扩容方案，主要有两个步骤：1.大小检测，2.扩容

大小检测：

检测数组大小是否为0，如果是，则使用默认的扩容大小10

检测是否需要扩容，只有当数组最小需要容量大小大于当前数组大小时，才会进行扩容

扩容：grow和hugeCapacity

进行数组越界判断

拷贝原始数据到新的数组中

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
// 通过ArrayList<Integer> a = new ArrayList<Integer>()或者通过序列化读取，元素大小为0时，底层数组才会为null数组
// 如果底层数组大小为0，则使用默认的容量大小10
if (elementData == EMPTY_ELEMENTDATA) {
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}

ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
// 数据结构发生改变，和fail-fast机制有关，在使用迭代器过程中，只能通过迭代器的方法（比如迭代器中add，remove等），修改List的数据结构，
// 如果使用List的方法（比如List中的add，remove等），修改List的数据结构，会抛出ConcurrentModificationException
modCount++;

// 当前数组容量大小不足时，才会调用grow方法，自动扩容
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}

可以看到扩容长度是通过位运算完成的

private void grow(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length;
// 新的容量大小 = 原容量大小的1.5倍
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
if (newCapacity - minCapacity < 0) //溢出判断，比如minCapacity = Integer.MAX_VALUE / 2, oldCapacity = minCapacity - 1
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);
}

private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
if (minCapacity < 0) // overflow
throw new OutOfMemoryError();
return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
Integer.MAX_VALUE :
MAX_ARRAY_SIZE;
}

fail-fast机制的实现

可以看到在ArrayList中，有个modCount的变量，每次进行add，set，remove等操作，都会执行modCount++。

在获取ArrayList的迭代器时，会将ArrayList中的modCount保存在迭代中，

每次执行add,set,remove等操作，都会执行一次检查，调用checkForComodification方法，对modCount进行比较。如果迭代器中的modCount和List中的modCount不同，则抛出ConcurrentModificationException

final void checkForComodification() {
if (expectedModCount != ArrayList.this.modCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}

在对集合进行迭代过程中，除了迭代器可以对集合进行数据结构上进行修改，其他的对集合的数据结构进行修改，都会抛出ConcurrentModificationException错误。

序列化

transient Object[] elementData;

transient修饰符让elementData无法自动序列化，这样的原因是，数组内存储的的元素其实只是一个引用，单单序列化一个引用没有任何意义，反序列化后这些引用都无法在指向原来的对象。ArrayList使用writeObject()实现手工序列化数组内的元素。

通过以上源码分析，其实就可以总结出ArrayList的优缺点以及使用场景

优点：

1.get，set，时间复杂度为O(1)，查找元素快速

2.数据是顺序存储的

缺点：

1.add（一般都是在末尾插入），时间复杂度为O(1)，最差情况下（往头部插入数据），时间复杂度O(n)

2.remove，时间复杂度为O(n)，最优情况下（移除末尾元素），时间复杂度为O(1)

3.ArrayList底层使用数组存储数据，数组是不能自动扩容的，因此在发生扩容的情况下，需要移动大量的元素。

4.数组大小是由限制的，受jvm和机器的影响，当扩容超出上限时，ArrayList会抛出异常

5.ArrayList所有的操作，都不是同步的，因此ArrayList不是线程安全的。

使用场景：

插入操作多，数据量不大，顺序存储时，可以考虑使用ArrayList

LinkedList

构造函数：

LinkedList有两个构造参数，一个为无參构造，只是新建一个空对象，第二个为有参构造，新建一个空对象，然后把所有元素添加进去。

public LinkedList() {
}
public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
this();
addAll(c);
}

LinkedList的存储单元为一个名为Node的内部类，包含pre指针，next指针，和item元素，实现为双向链表

//链表的节点个数
transient int size = 0;

//指向头节点的指针
transient Node<E> first;

//指向尾节点的指针
transient Node<E> last;

节点结构

Node 是在 LinkedList 里定义的一个静态内部类，它表示链表每个节点的结构，包括一个数据域item，一个后置指针next，一个前置指针prev。

private static class Node<E> {
E item;
Node<E> next;
Node<E> prev;

Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
this.item = element;
this.next = next;
this.prev = prev;
}
}

总结：

ArrayList和LinkedList在性能上各有优缺点，都有各自所适用的地方：

1.ArrayList的空间浪费主要体现在在list列表的结尾预留一定的容量空间，而LinkedList的空间花费则体现在它的每一个元素都需要消耗相当的空间。

2.对ArrayList和LinkedList而言，在列表末尾增加一个元素所花的开销都是固定的。对ArrayList而言，主要是在内部数组中增加一项，指向所添加的元素，偶尔可能会导致对数组重新进行分配；而对LinkedList而言，这个开销是统一的，分配一个内部Entry对象。

使用场景：

当操作是在一列数据的后面添加数据而不是在前面或中间,并且需要随机地访问其中的元素时,使用ArrayList会提供比较好的性能；当你的操作是在一列数据的前面或中间添加或删除数据,并且按照顺序访问其中的元素时,就应该使用LinkedList了。