前言：在前面我們提到數據結構的線性表表。那么今天我們詳細看下Java源碼是如何實現線性表的，這一篇主要講解順序表ArrayList鏈式表下一篇在提及。
1：ArrayList結構圖
2：關於Collection和List的區別
最好的比對就是查看他們的源碼我們先看Collection的所有接口
public interface Collection<E> extends Iterable<E> { int size(); boolean contains(Object o); Iterator<E> iterator(); Object[] toArray(); <T> T[] toArray(T[] a); boolean add(E e); boolean remove(Object o); boolean containsAll(Collection<?> c); boolean addAll(Collection<? extends E> c); boolean retainAll(Collection<?> c); void clear(); boolean equals(Object o); int hashCode(); }
在看List接口
public interface List<E> extends Collection<E> { int size(); boolean isEmpty(); Iterator<E> iterator(); Object[] toArray(); <T> T[] toArray(T[] a); boolean add(E e); boolean remove(Object o); boolean containsAll(Collection<?> c); boolean addAll(Collection<? extends E> c); boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c); boolean removeAll(Collection<?> c); boolean retainAll(Collection<?> c); void clear(); boolean equals(Object o); int hashCode(); E get(int index); E set(int index, E element); void add(int index, E element); E remove(int index); int indexOf(Object o); int lastIndexOf(Object o); ListIterator<E> listIterator(); ListIterator<E> listIterator(int index); List<E> subList(int fromIndex, int toIndex); }
由於List是繼承Collection，所有具有Collection所有的功能，從Collection接口中我們也可以看出，Collection不具有索引，不可以取元素的值，而List取可以，List是具有索引的，這樣一來在獲取元素方面遠遠好於Collection。
3：Iterable接口
從ArrayList中我們可以看出，最頂端的接口就是Iterable這個接口，這個是一個迭代器，接口如下
public interface Iterable<T> { Iterator<T> iterator(); }
這個接口主要是返回一個對象，這個對象是Iterator，那么我們在看看Iterator接口里面的方法
public interface Iterator<E> { boolean hasNext(); E next(); void remove(); }
那么我們主要看ArrayList是如何實現迭代器Iterator的。Iterator的實現在AbstractList這個抽象類中的一個私有類Itr中。我們看看具體實現
private class Itr implements Iterator<E> { int cursor = 0; int lastRet = -1; int expectedModCount = modCount; public boolean hasNext() { return cursor != size(); }
cursor：記錄即將調用索引的位置
lastRet：最后一個元素的索引
int expectedModCount = modCount;目的是為了驗證modCount后面會單獨說下。
判斷這個集合是否存在最后一個元素，通過cursor != size();size表示數組的長度，因為數組中元素索引從0開始，所以當最后一個索引等於數組長度的時候說明已經到數組的尾部了。
public E next() { checkForComodification(); try { E next = get(cursor); lastRet = cursor++; return next; } catch (IndexOutOfBoundsException e) { checkForComodification(); throw new NoSuchElementException(); } }
final void checkForComodification() { if (modCount != expectedModCount) throw new ConcurrentModificationException(); }
modCount：記錄所有數組數據結構變動的次數，包括添加、刪除、更改等，為了避免並發時候，當多個線程同時操作時候，某個線程修改了數組結構，而另一個線程恰恰讀取這個數組，這樣一來就會產生錯誤。所以在這段代碼中加入了modCount != expectedModCount，比如A線程對數據結構修改一次，那么modCount比如+1，而expectedModCount並沒有發生變化，所以這樣就會拋出異常。
public void remove() { if (lastRet == -1) throw new IllegalStateException(); checkForComodification(); try { AbstractList.this.remove(lastRet); if (lastRet < cursor) cursor--; lastRet = -1; expectedModCount = modCount; } catch (IndexOutOfBoundsException e) { throw new ConcurrentModificationException(); } }
我們剛剛說了lastRet記錄的是最后一個元素，所以刪除的時候直接按照索引刪除即可，因為modCount會減一，所以重新對expectedModCount 進行賦值，避免遍歷時候產生錯誤。而且把lastRed在次賦初始值。
4：分析ArrayList
剛剛目的是為了更加連接ArrayList做個鋪墊，ArrayList和我們以前數據結構中提到的順序表一樣，采用Object[] 數組進行存儲元素，用size來記錄元素的元素的個數。
/** * The array buffer into which the elements of the ArrayList are stored. * The capacity of the ArrayList is the length of this array buffer. */ private transient Object[] elementData; /** * The size of the ArrayList (the number of elements it contains). * * @serial */ private int size;
關於transient，一旦變量被transient修飾，變量將不再是對象持久化的一部分，那么為啥采用transient修飾呢，由於elementData本身是一個緩存數組，通常會預留一些容量，當容量不夠時然后進行擴充，比如現在elementData容量是10，但是只有5個元素，數組中的最后五個元素是沒有實際意義的，不需要儲存，所以ArrayList的設計者將elementData設計為transient，然后在writeObject方法中手動將其序列化，並且只序列化了實際存儲的那些元素，而不是整個數組。我們看下writeObject方法
private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s) throws java.io.IOException{ // Write out element count, and any hidden stuff int expectedModCount = modCount; s.defaultWriteObject(); // Write out array length s.writeInt(elementData.length); // Write out all elements in the proper order. for (int i=0; i<size; i++) s.writeObject(elementData[i]); if (modCount != expectedModCount) { throw new ConcurrentModificationException(); } }
關於ArrayList的初始化。ArrayList的設計者采用3種方式初始化。（默認數組容量是10）
public ArrayList(int initialCapacity) { super(); if (initialCapacity < 0) throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+ initialCapacity); this.elementData = new Object[initialCapacity]; } public ArrayList() { this(10); } public ArrayList(Collection<? extends E> c) { elementData = c.toArray(); size = elementData.length; // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652) if (elementData.getClass() != Object[].class) elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class); }
trimToSize方法，這個方法可能我們好多人用的少，其實意義蠻大的，它主要把沒用的容量去除掉，這樣一來可以減少內存的開銷
public void trimToSize() { modCount++; int oldCapacity = elementData.length; if (size < oldCapacity) { elementData = Arrays.copyOf(elementData, size); }
ensureCapacity方法，我們知道數組如果滿了就會進行擴容，這個方法就是擴容的。
public void ensureCapacity(int minCapacity) { modCount++; int oldCapacity = elementData.length; if (minCapacity > oldCapacity) { Object oldData[] = elementData; int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1; if (newCapacity < minCapacity) newCapacity = minCapacity; // minCapacity is usually close to size, so this is a win: elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); }
modCount就是增加因子，記錄操作數組結構的次數，首先和容量進行比對，如果不夠了進行擴容。這是Java1.6版本的就是在原來的基礎上擴容1.5倍。1.7采用>>1也就是所有元素像右邊移動一位然后加上原來的容量。其中
indexOf方法，這個方法是獲取元素索引。通過索引然后進行查詢元素
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; }
從中我們也可以看出ArrayList是支持null的插入的。同樣采用的是循環遍歷來進行查找，時間復雜的為n。
contains方法，驗證數組是否包含某元素，直接通過indexOf驗證返回值即可
public boolean contains(Object o) { return indexOf(o) >= 0; }
lastIndexOf方法，和indexOf相對，indexOf是從前往后，lastIndexOf是從后面往前查找如下
public int lastIndexOf(Object o) { if (o == null) { for (int i = size-1; i >= 0; i--) if (elementData[i]==null) return i; } else { for (int i = size-1; i >= 0; i--) if (o.equals(elementData[i])) return i; } return -1; }
toArray方法，就是把List轉換成數組形式
public Object[] toArray() { return Arrays.copyOf(elementData, size); }
get和set方法，這個就很簡單了大家看下就行
public E get(int index) { RangeCheck(index); return (E) elementData[index]; } public E set(int index, E element) { RangeCheck(index); E oldValue = (E) elementData[index]; elementData[index] = element; return oldValue; }
RangeCheck方法是進行驗證的，查詢的索引不可以超過數組的長度如下
private void RangeCheck(int index) { if (index >= size) throw new IndexOutOfBoundsException( "Index: "+index+", Size: "+size); }
add(E e)添加一個元素，這個采用尾插入，先驗證容量，size+1是加入1個元素后長度，看原來數組容量是否夠。
public boolean add(E e) { ensureCapacity(size + 1); // Increments modCount!! elementData[size++] = e; return true; }
add(int index, E element)按照索引進行插入，第一個還是一樣進行擴容，然后把索引index后面的元素全部向后面移一位。System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
size - index);的意思就是將elementData的第index個元素移到第index+1個元素上，長度為size-index。
public void add(int index, E element) { if (index > size || index < 0) throw new IndexOutOfBoundsException( "Index: "+index+", Size: "+size); ensureCapacity(size+1); // Increments modCount!! System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index); elementData[index] = element; size++; }
addAll(Collection<? extends E> c)
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) { Object[] a = c.toArray(); int numNew = a.length; ensureCapacity(size + numNew); // Increments modCount System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew); size += numNew; return numNew != 0; }
首先把集合c轉換成a數組，然后計算要進行添加的數組長度，其它的基本和添加元素一致。arraycopy(Object src, int srcPos,Object dest, int destPos,int length)
參數次數依次 源數組，源數組起始位置，目標數組，目標數組起始位置，復制數組元素數目。
addAll(int index, Collection<? extends E> c)把數組插入到指定位置
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) { if (index > size || index < 0) throw new IndexOutOfBoundsException( "Index: " + index + ", Size: " + size); Object[] a = c.toArray(); int numNew = a.length; ensureCapacity(size + numNew); // Increments modCount int numMoved = size - index; if (numMoved > 0) System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew, numMoved); System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew); size += numNew; return numNew != 0; }
首先判斷是是否越界，然后和上面的基本一樣，就是進行擴容判斷，然后index后面的值進行后移包括index，然后留下的空間插入集合a。所以2次進行復制元素。
E remove(int index)和add相對，刪除這個元素然后把index后面的元素往前面移一位size - index - 1其中-1是因為index這個元素會被刪除，會少一位元素。
public E remove(int index) { RangeCheck(index); modCount++; E oldValue = (E) elementData[index]; int numMoved = size - index - 1; if (numMoved > 0) System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved); elementData[--size] = null; // Let gc do its work return oldValue; }
remove(Object o)這個就需要先進性驗證然后找到這個元素的位置最后進行刪除
public boolean remove(Object o) { if (o == null) { for (int index = 0; index < size; index++) if (elementData[index] == null) { fastRemove(index); return true; } } else { for (int index = 0; index < size; index++) if (o.equals(elementData[index])) { fastRemove(index); return true; } } return false; }
private void fastRemove(int index) { modCount++; int numMoved = size - index - 1; if (numMoved > 0) System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved); elementData[--size] = null; // Let gc do its work }
clear就是把所有的原素置空
public void clear() { modCount++; // Let gc do its work for (int i = 0; i < size; i++) elementData[i] = null; size = 0; }
subList方法，我們知道ArrayList是有這個方法，在ArrayList源碼並不存在，因為是繼承AbstractList而來的
public List<E> subList(int fromIndex, int toIndex) { return (this instanceof RandomAccess ? new RandomAccessSubList<E>(this, fromIndex, toIndex) : new SubList<E>(this, fromIndex, toIndex)); }
class SubList<E> extends AbstractList<E> { private AbstractList<E> l; private int offset; private int size; private int expectedModCount; SubList(AbstractList<E> list, int fromIndex, int toIndex) { if (fromIndex < 0) throw new IndexOutOfBoundsException("fromIndex = " + fromIndex); if (toIndex > list.size()) throw new IndexOutOfBoundsException("toIndex = " + toIndex); if (fromIndex > toIndex) throw new IllegalArgumentException("fromIndex(" + fromIndex + ") > toIndex(" + toIndex + ")"); l = list; offset = fromIndex; size = toIndex - fromIndex; expectedModCount = l.modCount; }
從代碼中我們可以看出這個一個基本內部類的實現，subList只是去List中的一段數據。但是關於subList我們要注意幾個事項。
第一：如果我們改變了List的數值，那么你獲取的subList中的值也隨之改變，原因如下
public E get(int index) { rangeCheck(index); checkForComodification(); return l.get(index+offset); }
因為獲取的還是以前List中的數據。同樣如果修改subList獲取的數值，List同樣改變，
第二：如果改變了List結構，可能導致subList的不可用，因為這些修改已然基於原來的list，他們共同用一個list數組。
public void add(int index, E element) { if (index<0 || index>size) throw new IndexOutOfBoundsException(); checkForComodification(); l.add(index+offset, element); expectedModCount = l.modCount; size++; modCount++; }
5：關於list刪除錯誤分析
list在采用循環刪除的時候會報ConcurrentModificationException異常，那么我們來看看具體原因，先看一段代碼
List<String> list = new ArrayList<String>(); list.add("a"); list.add("b"); list.add("c"); list.add("d"); list.add("e"); for (String str:list){ list.remove(str); }
由於foreach遍歷最終會for (Iterator it=iterator;iterators.hasNext();)模式那么所以獲取元素的時候必然會用到迭代器中的next方法，next方法我們前面說了會有if(modCount!= expectedModCount)throw new ConcurrentModificationException()驗證。因為調用remove(T x)方法時候modCount會+1,所以2次比較就會出現不一致。
正確寫法如下
Iterator iterator=list.iterator(); while (iterator.hasNext()){ iterator.next(); iterator.remove(); }
為啥迭代器中remove就可以呢，是由於在remove代碼中有expectedModCount = modCount這句代碼。
6：ArrayList是線程安全嗎
線程不安全就是指多個線程同時操作造成臟讀，錯讀情況，很明顯ArrayList是非線程安全的，比如說ArrayList現在只有一個值后，如果A，B2個線程同時刪除這個值，A線程判斷得到size=1,而此時時間片段到，CPU調用B線程執行發現size也是1，開始刪除操作，然后A繼續進行發現ArrayList已經空了就會報異常。或者添加等等。但是Vector是線程安全的，因為里面所有方法都加入了synchronized，這樣造成的結果就是所有線程執行ArrayList方法都必須等待，直到獲取同步鎖才可以繼續進行，這樣一來性能大大降低。