JDK源码分析-常用的容器实现类ArrayList

发布于 2022-4-24 09:46
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作者 |jaxer
来源 | WriteOnRead(ID:WriteOnRead)

概述

ArrayList 是 List 接口的一个实现类,也是 Java 中最常用的容器实现类之一,可以把它理解为「可变数组」。

我们知道,Java 中的数组初始化时需要指定长度,而且指定后不能改变。ArrayList 内部也是一个数组,它对数组的功能做了增强:主要是在容器内元素增加时可以动态扩容,这也是 ArrayList 的核心所在。

前面「JDK源码分析-List, Iterator, ListIterator」已经概述了 List 接口的方法,ArrayList 的主要方法与 List 基本一致,因此这里重点分析其内部结构和扩容的原理。

ArrayList 的继承结构如下(省略部分接口):JDK源码分析-常用的容器实现类ArrayList-开源基础软件社区

构造器

我们先从构造器着手进行分析。ArrayList 有三个构造器,分别为:

1. 无参构造器

/**
 * Constructs an empty list with an initial capacity of ten.
 */
public ArrayList() {
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

该构造器涉及两个变量:elementData 和 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA。这两个变量的定义如下:

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

可以看到 elementData 是一个 Object 类型的数组,该数组也是 ArrayList 作为容器用于存储数据的地方。

/**
 * 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 = {};

DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 是一个 Object 类型的空数组。因此,该无参构造器的作用就是将 elementData 初始化为一个 Object 类型的空数组。

2. 指定初始化容量的构造器

该构造传入一个参数,即初始化内部数组容量的 initialCapacity,如下:

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);
    }
}

该构造器根据传入的初始容量(initialCapacity)初始化用于存储元素的数组 elementData 变量。当初始容量为 0 时,elementData 被初始化为 EMPTY_ELEMENTDATA,该变量如下:

private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

该数组与 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 都是一个空的 Object 数组,二者名字不同是为了区分 ArrayList 初始化时是否指定了容量,后期进行扩容的时候有所不同。

3. 指定初始化集合的构造器

该构造器传入一个集合 Collection,即使用 Collection 中的元素初始化 ArrayList 对象,代码如下:

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;
    }
}

注意:这里若 Collection 为空时会抛出 NPE,因此初始化前有必要判空。

扩容实现原理

上面分析了 ArrayList 的构造器,但 ArrayList 如何做到动态扩容呢?

我们可以从 add() 方法着手进行分析(addAll() 方法类似,不再单独分析),如下:

// ArrayList 的大小(包含元素的个数)
private int size;

// 将指定的元素添加到 List 末尾
public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

可以看到,在 add() 方法执行时,会首先执行 ensureCapacityInternal() 方法:

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}

该方法会先通过 calculateCapacity 方法计算数组需要的容量 minCapacity,然后判断是否需要执行 grow() 方法:

// 默认初始化容量
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
    // 这里只会在使用无参构造器初始化,并且第一次使用 add 方法时执行(将容量初始化为 10)
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    return minCapacity;
}
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;
    // overflow-conscious code
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);
}

这里可以看到,若 elementData 初始值为 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA,即使用无参构造器初始化 ArrayList,则默认初始化容量为 10.

若所需容量大小 minCapacity 比原数组长度大(即原数组长度不够用了),则执行 grow() 方法(对数组进行扩容):

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

新容量大小计算:

int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);

由此可以看出,新容量为原容量的 1.5 倍;若扩容为 1.5 倍后,仍未达到所需容量,则直接使用所需要的容量。

如何扩容的呢?使用 Arrays.copyOf() 方法创建了一个新的数组,然后将原先数组的元素拷贝到新的数组中:

elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);

跟踪该方法可以发现,最终调用了 System.arraycopy() 方法:

public static native void arraycopy(Object src,  int  srcPos,
                                        Object dest, int destPos, int length);

ArrayList 扩容小结

1. 若未指定初始化容量

当第一次执行 add() 方法时,将数组长度默认初始化为 10,之后再添加元素时不扩容,直至容量等于 10,再添加第 11 个元素时,将容量扩容为 15 (10 + 10 >> 1),以此类推。

2. 若指定了初始化容量 initialCapacity

当数组容量到达 initialCapacity 之前,不进行扩容,当容量等于 initialCapacity 时若再添加元素,则执行扩容,扩容操作同上。

3. 新容量大小

默认扩容后数组的容量为原数组容量的 1.5 倍;若仍未达到所需大小(使用 addAll() 方法时可能出现),则扩容为所需的容量。

线程安全性

线程安全可以简单理解为:多个线程同时操作一个方法或变量时,不会出现问题;若出现问题,可认为是线程不安全的。

ArrayList 是线程不安全的,主要体现有二:

1. 多个线程往 ArrayList 添加数据时(扩容时),可能会产生数组越界异常(ArrayIndexOutOfBoundsException);

2. 多个线程遍历同一个 ArrayList,有线程对其进行修改时,可能会抛出 ConcurrentModificationException。

先对 add() 方法进行分析:

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

注意:i++ 操作是非原子性的。

场景分析一:

若有一个初始容量为 1 的 ArrayList,线程 T1 和 T2 同时向其中添加元素(add() 方法),当添加第 2 个元素时,需要进行扩容。

此时若有以下执行时序:

1. T1、T2 检测到需要扩容

此时,T1 和 T2 拿到的都是 elementData.length=1, size=1,若 T1 先执行 ensureCapacityInternal() 方法扩容,则 elementData.length=2, size=1;之后 T2 再执行 ensureCapacityInternal() 方法时,因为初始 size=1,而 T1 扩容后 elementData.length=2,所以 T2 不会再进行扩容(不再执行 grow() 方法)。

2. T1 执行赋值操作和 size++ 操作

之后 T1 执行赋值操作 elementData[1]=XX 和 size++,size 自增为 2;

3. T2 执行赋值操作(数组越界)和 size++ 操作

由于上一步 T1 执行了 size++ 操作,当前 size=2,这时的赋值 elementData[size++] 将对 elementData[2] 执行赋值操作,而 elementData.length=2,最大下标为 1,这时会发生数组越界异常(ArrayIndexOutOfBoundsException)。

场景分析二:

有一个 ArrayList,线程 T1 对其进行遍历;线程 T2 对其遍历,并移除部分元素。

对 ArrayList 进行遍历时,以 iterator 方法为例,其代码如下:

public Iterator<E> iterator() {
    return new Itr();
}

会创建一个内部类 Itr,如下:

private class Itr implements Iterator<E> {
    int expectedModCount = modCount;

    // ...
    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];
    }
    // 检查是否有其他线程进行结构性修改
    final void checkForComodification() {
        if (modCount != expectedModCount)
            throw new ConcurrentModificationException();
    }    
}

而 ArrayList 的 add()、remove() 等结构性修改的操作都会使 modCount++。因此有:若线程 T1 只对 ArrayList 进行遍历;而线程 T2 对同一个 ArrayList 进行了移除元素操作,则会修改 modCount 的值,导致线程 T1 中 modCount != expectedModCount,从而触发 ConcurrentModificationException。

ArrayList 小结

1. ArrayList 可以理解为「可以自动扩容的数组」,默认初始化容量为 10,默认每次扩容为原容量的 1.5 倍;

2. 扩容时会创建一个新的数组,并将之前的元素拷贝到新数组中(因此,若要将数量已知的元素放入 ArrayList,在初始化时指定长度可以避免多次扩容);

3. 线程不安全,不适合在多线程场景下使用。

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