分析Java中ArrayList與LinkedList列表結(jié)構(gòu)的源碼

更新時間：2016年05月11日 08:58:55 作者：pastqing

這篇文章主要介紹了Java中ArrayList與LinkedList列表結(jié)構(gòu)的源碼,文章最后對LinkedList和ArrayList以及Vector的特性有一個對比總結(jié),需要的朋友可以參考下

一、ArrayList源碼分析（JDK7）

ArrayList內(nèi)部維護了一個動態(tài)的Object數(shù)組，ArrayList的動態(tài)增刪就是對這個對組的動態(tài)的增加和刪除。

1、ArrayList構(gòu)造以及初始化

ArrayList實例變量
//ArrayList默認容量
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
//默認空的Object數(shù)組， 用于定義空的ArrayList
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
//ArrayList存放存放元素的Object數(shù)組
private transient Object[] elementData;
//ArrayList中元素的數(shù)量
private int size;

ArrayList構(gòu)造函數(shù)：

無參構(gòu)造函數(shù): 即構(gòu)造一個空的Object[]

public ArrayList() {
  super();
  this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}

指定容量大小構(gòu)造：

public ArrayList(int initialCapacity) {
  super();
  if (initialCapacity < 0)
    throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                      initialCapacity);
  this.elementData = new Object[initialCapacity];
}

指定某一實現(xiàn)Collection接口的集合構(gòu)造：

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);
}

這里也說明了Collection的作用， java-collection-framwork設(shè)計Collection接口而不是直接使用List，Set等接口的原因。

2、ArrayList的容量分配機制

ArrayList的容量上限： ArrayList容量是有上限的，理論允許分配Integer.Max_VALUE - 8大小的容量。但是能分配多少還跟堆棧設(shè)置有關(guān)，需要設(shè)置VM參數(shù)

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

調(diào)用Add方法時擴容規(guī)則

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

ensureCapacityInternal(int)方法實際上確定一個最小擴容大小。

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    if (elementData == EMPTY_ELEMENTDATA) {
      minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    ensureExplicitCapacity(minCapacity);
  }
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;
    // overflow-conscious code
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
      grow(minCapacity);
  }

關(guān)于modCount： modCount定義在抽象類AbstratList中，源碼的注釋基本說明了它的用處:在使用迭代器遍歷的時候，用來檢查列表中的元素是否發(fā)生結(jié)構(gòu)性變化（列表元素數(shù)量發(fā)生改變的一個計數(shù)）了，主要在多線程環(huán)境下需要使用，防止一個線程正在迭代遍歷，另一個線程修改了這個列表的結(jié)構(gòu)。
grow方法為真正的擴容方法

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);
  }

其中對大容量擴容多少還有個hugeCapacity方法

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

總結(jié)：
每次擴容都會伴隨著數(shù)組的復(fù)制操作，因此一次給定恰當?shù)娜萘繒岣咭稽c性能。
下圖是我歸納的整個擴容流程：

201651185223963.png (3184×650)

3.ArrayList迭代器

ArrayList的迭代器主要有兩種Itr和ListItr, 但是在jDK1.8中還添加了一個ArrayListSpliterator, 下面分別學(xué)一下Itr和ListItr的源碼分析。

（1）Itr:只能向后遍歷

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
    //expectedModCount 是modCount的一個副本
    int expectedModCount = modCount;
    public boolean hasNext() {
      return cursor != size;
    }
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public E next() {
      checkForComodification();
      //記錄當前位置
      int i = cursor;
      if (i >= size)
        throw new NoSuchElementException();
      Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
      if (i >= elementData.length)
        throw new ConcurrentModificationException();
      //下一個元素的位置
      cursor = i + 1;
      return (E) elementData[lastRet = i];
    }
    //使用迭代器的remove方法
    public void remove() {
      if (lastRet < 0)
        throw new IllegalStateException();
      checkForComodification();
      try {
        //注意內(nèi)部類調(diào)用外部類的方式
        ArrayList.this.remove(lastRet);
        //remove之后需要重新調(diào)整各個指針的位置
        cursor = lastRet;
        lastRet = -1;
        expectedModCount = modCount;
      } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
        throw new ConcurrentModificationException();
      }
    }
    final void checkForComodification() {
      if (modCount != expectedModCount)
        throw new ConcurrentModificationException();
    }
  }

從源碼中可以看出Itr迭代器是向前迭代器，它提供了一個next方法用于獲取ArrayList中的元素。
checkForComodification是java-collection-framwork中的一種fail-fast的錯誤檢測機制。在多線程環(huán)境下對同一個集合操作，就可能觸發(fā)fail-fast機制，拋出ConcurrentModificationException異常。

Itr迭代器定義了一個expectedModCount記錄modCount副本。在ArrayList執(zhí)行改變結(jié)構(gòu)的操作的時候例如Add， remove， clear方法時modCount的值會改變。

通過Itr源碼可以看出調(diào)用next和remove方法會觸發(fā)fail-fast檢查。此時如果在遍歷該集合時，存在其他線程正在執(zhí)行改變該集合結(jié)構(gòu)的操作時就會發(fā)生異常。

（2）ListItr：支持向前和向后遍歷，下面看看ListItr的源碼：

private class ListItr extends Itr implements ListIterator<E> {
    ListItr(int index) {
      super();
      cursor = index;
    }
    public boolean hasPrevious() {
      return cursor != 0;
    }
    public int nextIndex() {
      return cursor;
    }
    public int previousIndex() {
      return cursor - 1;
    }
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public E previous() {
      checkForComodification();
      //arrayList前一個元素的位置
      int i = cursor - 1;
      if (i < 0)
        throw new NoSuchElementException();
      Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
      if (i >= elementData.length)
        throw new ConcurrentModificationException();
      cursor = i;
      return (E) elementData[lastRet = i];
    }
    //該迭代器中添加了set方法
    public void set(E e) {
      if (lastRet < 0)
        throw new IllegalStateException();
      checkForComodification();
      try {
        ArrayList.this.set(lastRet, e);
      } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
        throw new ConcurrentModificationException();
      }
    }
    //該迭代器添加了add方法
    public void add(E e) {
      checkForComodification();
      try {
        int i = cursor;
        ArrayList.this.add(i, e);
        //重新標記指針位置
        cursor = i + 1;
        lastRet = -1;
        expectedModCount = modCount;
      } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
        throw new ConcurrentModificationException();
      }
    }
  }

ListItr的實現(xiàn)基本與Itr一致，添加了可以先前遍歷的方法以及add與set方法。

（3）使用java.util.concurrent中的CopyOnWriteArrayList解決fast-fail問題

CopyOnWriteArrayList是線程安全的，具體看一下它的add方法源碼：

public boolean add(E e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
      Object[] elements = getArray();
      int len = elements.length;
      Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
      newElements[len] = e;
      setArray(newElements);
      return true;
    } finally {
      lock.unlock();
    }
  }

CopyOnWriteArrayList就是寫時復(fù)制的ArrayList。當開始寫數(shù)據(jù)的操作時候， Arrays.copyOf一個新的數(shù)組，這樣不會影響讀操作。
這樣的代價就是會損耗內(nèi)存，帶來性能的問題。CopyOnWriteArrayList寫的時候在內(nèi)存中生成一個副本對象，同時原來的對象仍然存在。
CopyOnWriteArrayList無法保證數(shù)據(jù)實時的一致，只能保證結(jié)果的一致。適用于并發(fā)下讀多寫少得場景，例如緩存。

（4）ArrayList的其他方法源碼：

一個私有方法batchRemove(Collection<?>c, boolean complement)，即批量移除操作

private boolean batchRemove(Collection<?> c, boolean complement) {
    //下面會提到使用final的原因
    final Object[] elementData = this.elementData;
    int r = 0, w = 0;
    boolean modified = false;
    try {
      //遍歷List中的元素，進行驗證
      for (; r < size; r++)
        if (c.contains(elementData[r]) == complement)
          elementData[w++] = elementData[r];
    } finally {
      //try中如果出現(xiàn)異常，則保證數(shù)據(jù)一致性執(zhí)行下面的copy操作
      if (r != size) {
        System.arraycopy(elementData, r,
                 elementData, w,
                 size - r);
        w += size - r;
      }
      //清理無用的元素， 通知GC回收
      if (w != size) {
        // clear to let GC do its work
        for (int i = w; i < size; i++)
          elementData[i] = null;
        modCount += size - w;
        size = w;
        modified = true;
      }
    }
    return modified;
  }

final修飾的變量指的是同一個引用，為了后面保持數(shù)據(jù)的一致性。
此方法，想保留Collection c中的元素時， complement值為true；想移除c中的元素時， complement值為false。這樣就分別變成了retainAll和removeAll方法。

swap：交換arrayList中的某兩個位置的

二、LinkedList源碼分析（JDK7）

LinkedList即鏈表，相對于順序表，鏈表存儲數(shù)據(jù)不需要使用地址連續(xù)的內(nèi)存單元。減少了修改容器結(jié)構(gòu)而帶來的移動元素的問題，順序訪問相對高效。

1、結(jié)點（Node）的定義

JDK中的LinkedList是雙向鏈表，每個結(jié)點分別存有上一個結(jié)點和下一個結(jié)點的信息。它的定義如下：

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

2、LinkedList構(gòu)造以及初始化

成員： LinkedList中維護了3個成員變量，用以記錄鏈表中結(jié)點的個數(shù)，結(jié)點的前驅(qū)以及后繼

transient int size = 0;
transient Node<E> first;
transient Node<E> last;

構(gòu)造函數(shù)：默認構(gòu)造函數(shù)即構(gòu)造一個空的LinkedList

public LinkedList() {}

或者根據(jù)其他容器進行構(gòu)造，后面我們會自己寫一個構(gòu)造一個有序的鏈表

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

這里給出一點補充，關(guān)于泛型修飾符? super T 與 ? extends T的區(qū)別，參見這篇文章泛型中? super T和? extends T的區(qū)別

3、LinkedList的結(jié)構(gòu)操作

頭插法：即在鏈表頭插入一個元素

private void linkFirst(E e) {
  final Node<E> f = first;
  final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
  first = newNode;
  //判斷是否是空鏈表
  if (f == null)
    last = newNode;
  else
    f.prev = newNode;
  size++;
  modCount++;
  }

尾插法：即在鏈表尾部插入一個元素

  void linkLast(E e) {
    final Node<E> l = last;
    final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
    last = newNode;
    if (l == null)
      first = newNode;
    else
      l.next = newNode;
    size++;
    modCount++;
  }

插入到當前結(jié)點之前：找當前結(jié)點的前驅(qū)

void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
    //確定當然結(jié)點非空
    final Node<E> pred = succ.prev;
    final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
    succ.prev = newNode;
    //判斷當前結(jié)點是否是第一個結(jié)點
    if (pred == null)
      first = newNode;
    else
      pred.next = newNode;
    size++;
    modCount++;
  }

頭刪法：刪除鏈表的第一個結(jié)點

  private E unlinkFirst(Node<E> f) {
    // assert f == first && f != null;
    final E element = f.item;
    final Node<E> next = f.next;
    f.item = null;
    f.next = null; // help GC
    first = next;
    if (next == null)
      last = null;
    else
      next.prev = null;
    size--;
    modCount++;
    return element;
  }

尾刪法：刪除鏈表的最后一個結(jié)點

  private E unlinkLast(Node<E> l) {
    //保證l==last 并且l != null
    final E element = l.item;
    final Node<E> prev = l.prev;
    l.item = null;
    l.prev = null; // help GC
    last = prev;
    if (prev == null)
      first = null;
    else
      prev.next = null;
    size--;
    modCount++;
    return element;
  }

4、保持List接口與Deque的一致性

List接口允許使用下標來實現(xiàn)對容器的隨機訪問，對于數(shù)組這種實現(xiàn)隨機訪問是很容易的。對于鏈表，JDK也從邏輯上利用鏈表中結(jié)點的計數(shù)給出了隨機訪問的實現(xiàn)

Node<E> node(int index) {
    //確保index的正確性
    if (index < (size >> 1)) {
      Node<E> x = first;
      for (int i = 0; i < index; i++)
        x = x.next;
      return x;
    } else {
      Node<E> x = last;
      for (int i = size - 1; i > index; i--)
        x = x.prev;
      return x;
    }
  }

index 屬于前半部分的計數(shù)，從頭遍歷查找。index屬于后半部分的計數(shù)，從末尾遍歷查找。充分利用雙向鏈表的特點。
因此，add(int index, T t), get(int), set(int)等方法就可以很容易的實現(xiàn)。

LinkedList實現(xiàn)了Deque接口，也就是LinkedList實現(xiàn)了雙端隊列容器的方法，下面給出一些API的總結(jié)。

5、LinkedList的遍歷

既然LinkedList是雙向鏈表，自然就可以前后遍歷。與ArrayList同樣，涉及到多線程操作容器的時候LinkedList也會出現(xiàn)fail-fast問題。
對于fail-fast問題上篇已經(jīng)講解過，這里就不說了。

關(guān)于迭代器，LinkedList有l(wèi)istIterator雙向迭代器，和DescendingIterator逆序迭代器。都很簡單。源碼不在分析

如果遍歷元素的話，隨機訪問的代價是比較大得。

三、LinkedList，ArrayList， Vector總結(jié)

1、LinkedList與ArrayList

ArrayList是實現(xiàn)了基于動態(tài)數(shù)組的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，LinkedList基于鏈表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

對于隨機訪問get和set，ArrayList覺得優(yōu)于LinkedList，因為LinkedList要移動指針。

對于新增和刪除操作add和remove，LinedList比較占優(yōu)勢，因為ArrayList要移動數(shù)據(jù)。這一點要看實際情況的。若只對單條數(shù)據(jù)插入或刪除，ArrayList的速度反而優(yōu)于LinkedList。但若是批量隨機的插入刪除數(shù)據(jù)，LinkedList的速度大大優(yōu)于ArrayList. 因為ArrayList每插入一條數(shù)據(jù)，要移動插入點及之后的所有數(shù)據(jù)。

2、ArrayList與Vector

vector是線程同步的，所以它也是線程安全的，而arraylist是線程異步的，是不安全的。如果不考慮到線程的安全因素，一般用arraylist效率比較高。

如果集合中的元素的數(shù)目大于目前集合數(shù)組的長度時，vector增長率為目前數(shù)組長度的100%,而arraylist增長率為目前數(shù)組長度的50%.如過在集合中使用數(shù)據(jù)量比較大的數(shù)據(jù)，用vector有一定的優(yōu)勢。

如果查找一個指定位置的數(shù)據(jù)，vector和arraylist使用的時間是相同的，都是0(1),這個時候使用vector和arraylist都可以。而如果移動一個指定位置的數(shù)據(jù)花費的時間為0(n-i)n為總長度，這個時候就應(yīng)該考慮到使用linklist,因為它移動一個指定位置的數(shù)據(jù)所花費的時間為0(1),而查詢一個指定位置的數(shù)據(jù)時花費的時間為0(i)。

ArrayList 和Vector是采用數(shù)組方式存儲數(shù)據(jù)，此數(shù)組元素數(shù)大于實際存儲的數(shù)據(jù)以便增加和插入元素，都允許直接序號索引元素，但是插入數(shù)據(jù)要設(shè)計到數(shù)組元素移動等內(nèi)存操作，所以索引數(shù)據(jù)快插入數(shù)據(jù)慢，Vector由于使用了synchronized方法（線程安全）所以性能上比ArrayList要差，LinkedList使用雙向鏈表實現(xiàn)存儲，按序號索引數(shù)據(jù)需要進行向前或向后遍歷，但是插入數(shù)據(jù)時只需要記錄本項的前后項即可，所以插入數(shù)度較快！

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