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List中的ArrayList和LinkedList源码分析

List是在面试中经常会问的一点,在我们面试中知道的仅仅是List是单列集合Collection下的一个实现类, List的实现接口又有几个,一个是ArrayList,还有一个是LinkedList,还有Vector。这次我们就来看看这三个类的源码。

ArrayList

ArrayList是我们在开发中最常用的数据存储容器,它的底层是通过数组来实现的。我们在集合里面可以存储任何类型的数据, 而且他是一个顺序容器,存放的数据顺序就是和我们放入的顺序是一致的,而且他还允许我们放入null元素,我们可以画个图理解一下。

这个图可能不是很正确,里面存放的元素的引用,所以我用了个000x,大致了解一下就行,一个伪图。

这样的话我们来看看源码分析

源码分析

​/** * Default initial capacity. * 默认初始容量 */private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;​/** * Shared empty array instance used for empty instances. * 如果是数组刚初始化就会用这个空数组替代它,这是自定义容量为0的时候。 */private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};​/** * 未自定义容量  数组刚初始化就会用这个空数组替代它 */private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};​/** * 这个elementDate就是底层使用的数组 */transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access​/** * 实际ArrayList集合大小 也就是实际元素的个数 */private int size;​复制代码

DEFAULT_CAPACITY 这是默认的初始容量,容量是10. EMPTY_ELEMENTDATA 这代表的是一个空的数组,初始化数组。 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 这个是区别上边的那个自定义容量为0的时候的空数组。

有些看源码的就会发现为什么初始容量为10,有会出现一堆什么空数组容量为0的呢? 这就得接下来看一下他的构造了

看这里

构造

/** * Constructs an empty list with an initial capacity of ten. * 这个地方就会构造一个初始容量为10的数组 */public ArrayList() {    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;}​复制代码


注释的意思是构造一个初始容量为10的数组,但是构造函数只是给elementDate赋值了一个空数组,其实就是在我们添加元素的时候,容量自动扩充为10.

我们在看看构造具有指定初始容量的空列表。


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);    }}​复制代码


从以上的源码我们能够看出来,如果是使用无参构造时,是把DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 给了elementDate ,当initialCapacity为0的时候,就把EMPTY_ELEMENTDATA赋值给了elementDate,如果initialCapacity大于0,就会初始化一个initialCapacity长度的数组给elementDate。


这上边的就是我们如果给定初始容量的时候他会在底层干的事情

至于使用方法,add,get这些方法就不仔细的去说了,都能看懂。我们主要来说他的迭代器 也就是inertor。


使用过ArrayList的人一般都知道,在执行for循环的时候一般情况是不会去执行remove的操作的,因为remove的操作会改变这个集合的大小, 所以会有可能出现数组角标越界异常,我们可以试一下。 看图



下面则是他出现异常的代码



foreach循环在我们的印象中不就是inertor么?但是他就是会出现异常,所以我们得继续看源码介绍


public Iterator<E> iterator() {    return new Itr();    直接返回的Itr这个对象,我们看一下。}​private class Itr implements Iterator<E> {        int cursor;       // index of next element to return        int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such        int expectedModCount = modCount;​        Itr() {}​        public boolean hasNext() {            return cursor != size;        }​        @SuppressWarnings("unchecked")        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];        }​        public void remove() {            if (lastRet < 0)                throw new IllegalStateException();            checkForComodification();​            try {                ArrayList.this.remove(lastRet);                cursor = lastRet;                lastRet = -1;                expectedModCount = modCount;            } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {                throw new ConcurrentModificationException();            }        }​        @Override        @SuppressWarnings("unchecked")        public void forEachRemaining(Consumer<? super E> consumer) {            Objects.requireNonNull(consumer);            final int size = ArrayList.this.size;            int i = cursor;            if (i >= size) {                return;            }            final Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;            if (i >= elementData.length) {                throw new ConcurrentModificationException();            }            while (i != size && modCount == expectedModCount) {                consumer.accept((E) elementData[i++]);            }            // update once at end of iteration to reduce heap write traffic            cursor = i;            lastRet = i - 1;            checkForComodification();        }​        final void checkForComodification() {            if (modCount != expectedModCount)                throw new ConcurrentModificationException();        }    }​复制代码


在这个方法内部next是最主要的一个方法,他首先去判断了expectedModCount和modCount是否一样,然后去看cursor,是不是超过 集合的大小和数组的长度,然后去吧cursor的值给lastRet,返回的是下标lastRet的元素,最后cursor加1,这样就是说没调用一次next方法, cursor和lastRet都会加1。


当我们在调用remove方法的时候,他会去判断lastRet是否小于0,然后去判断expectedModCount和modCount是否一样,然后他去调用ArrayList.remove()方法 去删除下标是lastRet的元素,然后把lastRet赋值给cursor,然后初始化lastRet = -1 ,最后把modCount重新赋值给expectedModCount。


这个关键的地方来了,remove方法对modCount进行了修改,这个时候expectedModCount和modCount是不一致的,这时候就会出现图中出现的那个异常了。 ConcurrentModificationException异常,而这个异常就是出自ArrayList中的内部类Itr中的checkForComodification方法。


不光是remove这个方法会出现这个,如果你使用add方法的时候也是会出现这个异常的,原理都是一样的都是因为modCount和expectedModCount不相等导致的原因。


ArrayList的结构看完了我们在来看看同样是List的实现类中的LinkedList把


LinkedList

首先啊,这个LinkedList它和ArrayList这数据结构是完全不一样的,ArrayList底层我们已经看过了是数组的结构,而LinkedList的底层则是链表的结构, 它可以进行高效的插入和移除的操作,他基于的是一个双向链表的结构,我们画个图理解一下。

LinkedList的Node节点结构

就和图中画的一样LinkedList是由很多个这样的节点组成的

prev是存储的上一个节点的引用。

element是存储的具体的内容。

next是存储的下一个节点的引用。

正是因为了这很多个节点,他存放着上一个和下一个节点的引用,就形成了有序的一个链表,就个铁链类似的那种,而且再加上它存的是前后两个节点的引用全部都保存起来, 所以从前往后和从后往前都能增删改查数据,所以他是个双向的链表。

我们再看看他的整体结构。

LinkedList的整体结构图

我们从图解中也能看出点东西来,他有好多的Node,并且还有first和last这两个变量保存头部和尾部节点的信息

还有就是他不是一个循环的双向链表,因为他前后都是null,这个也是我们需要注意的地方

图解看完了,我们看看他的源码解析把。

源码分析

1.变量

/*** 集合元素的数量*/transient int size = 0;​/** * Pointer to first node. * Invariant: (first == null && last == null) || *            (first.prev == null && first.item != null) * 指向第一个节点的指针 */transient Node<E> first;​/** * Pointer to last node. * Invariant: (first == null && last == null) || *            (last.next == null && last.item != null) * 指向最后一个节点的指针 */transient Node<E> last;​复制代码

构造方法

​/** * Constructs an empty list. * 无参构造 */public LinkedList() {}​/** * Constructs a list containing the elements of the specified * collection, in the order they are returned by the collection's * iterator. * 将集合C中的所有的元素都插入到链表中 * @param  c the collection whose elements are to be placed into this list * @throws NullPointerException if the specified collection is null */public LinkedList(Collection<? extends E> c) {    this();    addAll(c);}​复制代码

接下来我们在看看node节点

Node节点

​private static class Node<E> {    //值    E item;    //后继 指向下一个的引用    Node<E> next;​    //前驱 指向前一个的引用    Node<E> prev;​    Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {        this.item = element;        this.next = next;        this.prev = prev;    }}​复制代码


看到这个Node节点,我们就能看出来在图中的意思了,也证明了他是个双向的链表、

添加元素

​/** * 将集合插入到链表的尾部 */public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {    return addAll(size, c);}​public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {    checkPositionIndex(index);​    //获取目标集合转为数组    Object[] a = c.toArray();    //新增元素的数量    int numNew = a.length;    //如果新增元素为0,则不添加,并且返回false    if (numNew == 0)        return false;​    //定义index节点的前置节点,后置节点    Node<E> pred, succ;​    //判断是不是链表的尾部,如果是,那么就在链表尾部追加数据    //尾部的后置节点一定是null,前置节点是队尾    if (index == size) {        succ = null;        pred = last;    } else {​        //如果不是在链表的末尾而是在中间位置的话,        //取出index节点,作为后继节点        succ = node(index);​        //index节点的前节点,作为前驱的节点        pred = succ.prev;    }​    //链表批量的增加,去循环遍历原数组,依次去 插入节点的操作    for (Object o : a) {        @SuppressWarnings("unchecked")         //类型转换        E e = (E) o;        // 前置节点为pred,后置节点为null,当前节点值为e的节点newNode        Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, null);        // 如果前置节点为空, 则newNode为头节点,否则为pred的next节点        if (pred == null)            first = newNode;        else            pred.next = newNode;        pred = newNode;    }    // 循环结束后,如果后置节点是null,说明此时是在队尾追加的    if (succ == null) {        last = pred;    } else {        //否则是在队中插入的节点 ,更新前置节点 后置节点        pred.next = succ;        succ.prev = pred;    }    // 修改数量size    size += numNew;    //修改modCount    modCount++;    return true;}​复制代码


看完这个addAll方法之后我们再看看其他的添加元素的方法,分为了头部addFist和尾部addLast。

addFist(E e)

将e元素添加到链表并且设置其为头节点Fist

看看代码中的实现方式


​public void addFirst(E e) {    linkFirst(e);}​/** * Links e as first element. * 将e元素弄成链接列表的第一个元素 */private void linkFirst(E e) {    final Node<E> f = first;​    //链表开头前驱为空,值为e,后继为f    final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);    first = newNode;​    //若f为空,则表明列表中还没有元素,last也应该指向newNode    if (f == null)        last = newNode;    else​        //否则,前first的前驱指向newNode        f.prev = newNode;    size++;    modCount++;}​复制代码


详细步骤如下:

1.拿到first节点设置为f;2.新创建一个newNode设置为next节点为f节点;3.然后把newNode赋值给这个first4.如果f为空,则说明列表中没有元素,last指向newNode,否则,前first的前驱指向newNode;

这是代码的意思,我们可以通过一个图来看一下这实现:

下面我们再看看这个addLast(E e)

就是将元素E添加到链表,并且设置为尾部的节点next;


​public void addLast(E e) {    linkLast(e);}​/** * Links e as last element. *将e元素弄成链接列表的last元素 */void linkLast(E e) {    final Node<E> l = last;​    // 前驱为前last,值为e,后继为null    final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);    last = newNode;​    //最后一个节点为空,说明列表中无元素    if (l == null)​        //first同样指向此节点        first = newNode;    else​        //否则,前last的后继指向当前节点        l.next = newNode;    size++;    modCount++;}​复制代码


其实过程都差不多,不仔细的去详细讲解了

我们再看看线程安全性问题,ArrayList和LinkedList都是线程不安全的,因为,他内部的方法都没有进行方法同步,或者说是加锁, 这个时候就出了一个我们不经常用的Vector,

Vector

Vector是一个可实现自动增长的数组,他也是一个线程安全的数组。 我们可以去看一下他的源码介绍:

//它底层也是个数组 但是他的修饰符确实protected的而ArrayList是一个transient的。protected Object[] elementData;​//它的方法都是通过synchronized关键字来修饰的public synchronized void addElement(E obj) {    modCount++;    ensureCapacityHelper(elementCount + 1);    elementData[elementCount++] = obj;}​复制代码


还有很多方法我就不再一一去举例子了,而synchronized关键字表面的意思是 当有两个并发线程同时访问一个对象(synchronized)代码块的时候,在同一个时刻,只能有一个线程得到执行, 而另外的一个线程受到阻塞,必须等待当前线程的代码执行完这个代码块之后才能执行该代码。


也就是说在执行synchronized代码块的时候会锁定当前的对象,只有执行完改代码块之后才能释放锁,下一个线程开始锁定对象执行。

总结

List实现类:

1.ArrayList-->数组结构-->线程不安全,效率高-->查询快,增删慢-->容量不够扩容,当前容量长度*1.5+1; 默认长度为10,第一次扩充后的长度为16,第二次扩充后的长度为25,第三次扩从后的长度为38.5,不取用四舍五入,为38; 但是要注意,JDk1.7是1.5+1;而JDK8是1.5,所以视情况而定



2.LinkedList-->双向链表结构-->线程不安全,效率高-->查询慢,增删快-->链表直接在头部尾部新增都可以,所以没有倍数;


3.Vector-->数组结构-->线程安全,效率低-->查询快,增删慢-->扩容长度是:当前容量长度*2;


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