迎难而上ArrayList,源码分析走一波

2020/07/12

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关于 Java 基础、Java 面向对象编程、Java 字符串、Java 数组等方面的知识点已经可以告一段落了,小伙伴们可以在「沉默王二」公众号后台回复「小白」获取第二版手册。觉得不错的话,请随手转发给身边的小伙伴,赠人玫瑰,手有余香哈。

那么接下来,我开始肝 Java 集合方面的文章了,小伙伴们请默默为我鼓个掌,我能听得到,真的,别吝啬你的掌声,响起来。第一篇,必须得从 ArrayList 开始,毕竟 ArrayList 可以称得上是集合方面最常用的类了,估计没有之一。

ArrayList 实现了 List 接口,是基于数组实现的。小伙伴们都知道,数组的大小是固定的,创建的时候指定了大小,就不能再调整了,如果数组满了,就不能再添加任何元素了。ArrayList 是数组很好的替代方案,它提供了比数组更丰富的预定义方法(增删改查),并且大小是可以根据元素的多少进行自动调整的,非常灵活。

准备在 ArrayList 的第四个位置(下标为 3)上添加一个元素 55。

此时 ArrayList 中第五个位置以后的元素将会向后移动。

准备把 23 从 ArrayList 中移除。

此时下标为 7、8、9 的元素往前挪。

01、如何创建一个 ArrayList

ArrayList<String> alist = new ArrayList<String>();

可以通过上面的语句来创建一个字符串类型的 ArrayList(通过尖括号来限定 ArrayList 中元素的类型,如果尝试添加其他类型的元素,将会产生编译错误),更简化的写法如下:

List<String> alist = new ArrayList<>();

由于 ArrayList 实现了 List 接口,所以 alist 变量的类型可以是 List 类型;new 关键字声明后的尖括号中可以不再指定元素的类型,因为编译器可以通过前面尖括号中的类型进行智能推断。

如果非常确定 ArrayList 中元素的个数,在创建的时候还可以指定初始大小。

List<String> alist = new ArrayList<>(20);

这样做的好处是,可以有效地避免在添加新的元素时进行不必要的扩容。但通常情况下,我们很难确定 ArrayList 中元素的个数,因此一般不指定初始大小。

02、向 ArrayList 中添加一个元素

可以通过 add() 方法向 ArrayList 中添加一个元素,如果不指定下标的话,就默认添加在末尾。

alist.add("沉默王二");

感兴趣的小伙伴可以研究一下 add() 方法的源码,它在添加元素的时候会执行 grow() 方法进行扩容,这个是面试官特别喜欢考察的一个重点。

下面是 add(E e) 方法的源码:

public boolean add(E e) {
    modCount++;
    add(e, elementData, size);
    return true;
}

调用了私有的 add(E e, Object[] elementData, int s) 方法:

private void add(E e, Object[] elementData, int s) {
    if (s == elementData.length)
        elementData = grow();
    elementData[s] = e;
    size = s + 1;
}

然后调用了非常关键的 grow(int minCapacity) 方法:

private Object[] grow(int minCapacity) {
    int oldCapacity = elementData.length;
    if (oldCapacity > 0 || elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        int newCapacity = ArraysSupport.newLength(oldCapacity,
                minCapacity - oldCapacity, /* minimum growth */
                oldCapacity >> 1           /* preferred growth */);
        return elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    } else {
        return elementData = new Object[Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity)];
    }
}

如果创建 ArrayList 的时候没有指定初始大小,那么 ArrayList 的初始大小就是 DEFAULT_CAPACITY:

private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

可以容纳 10 个元素。

还可以通过 add(int index, E element) 方法把元素添加到指定的位置:

alist.add(0, "沉默王三");

add(int index, E element) 方法的源码如下:

public void add(int index, E element) {
    rangeCheckForAdd(index);
    modCount++;
    final int s;
    Object[] elementData;
    if ((s = size) == (elementData = this.elementData).length)
        elementData = grow();
    System.arraycopy(elementData, index,
            elementData, index + 1,
            s - index);
    elementData[index] = element;
    size = s + 1;
}

该方法会调用到一个非常重要的本地方法 System.arraycopy(),它会对数组进行复制(要插入位置上的元素往后复制,参照文章一开头提到的两张图片)。

03、更新 ArrayList 中的元素

可以使用 set() 方法来更改 ArrayList 中的元素,需要提供下标和新元素。

alist.set(0, "沉默王四");

原来 0 位置上的元素为“沉默王三”,现在将其更新为“沉默王四”。

来看一下 set() 方法的源码:

public E set(int index, E element) {
    Objects.checkIndex(index, size);
    E oldValue = elementData(index);
    elementData[index] = element;
    return oldValue;
}

该方法会先对指定的下标进行检查,看是否越界,然后替换新值并返回旧值。

04、删除 ArrayList 中的元素

remove(int index) 方法用于删除指定下标位置上的元素,remove(Object o) 方法用于删除指定值的元素。

alist.remove(1);
alist.remove("沉默王四");

先来看 remove(int index) 方法的源码:

public E remove(int index) {
    Objects.checkIndex(index, size);
    final Object[] es = elementData;

    @SuppressWarnings("unchecked") E oldValue = (E) es[index];
    fastRemove(es, index);

    return oldValue;
}

该方法返回要删除的元素,真正的删除操作在 fastRemove(es, index) 方法中。

再来看 remove(Object o) 方法的源码:

public boolean remove(Object o) {
    final Object[] es = elementData;
    final int size = this.size;
    int i = 0;
    found: {
        if (o == null) {
            for (; i < size; i++)
                if (es[i] == null)
                    break found;
        } else {
            for (; i < size; i++)
                if (o.equals(es[i]))
                    break found;
        }
        return false;
    }
    fastRemove(es, i);
    return true;
}

该方法通过 break label 的方式找到要删除元素(null 的时候使用 == 操作符判断,非 null 的时候使用 equals() 方法,意味着如果有相同元素时,删除第一个)的下标,然后调用 fastRemove() 方法。

既然都调用了 fastRemove() 方法,那就继续来跟踪一下源码:

private void fastRemove(Object[] es, int i) {
    modCount++;
    final int newSize;
    if ((newSize = size - 1) > i)
        System.arraycopy(es, i + 1, es, i, newSize - i);
    es[size = newSize] = null;
}

当删除的是末尾的元素时,不需要复制数组,直接把末尾的元素赋值为 null 即可;否则的话,就需要调用 System.arraycopy() 对数组进行复制。参照文章一开头提到的第三张、第四张图片。

05、查找 ArrayList 中的元素

如果要正序查找一个元素,可以使用 indexOf() 方法;如果要倒序查找一个元素,可以使用 lastIndexOf() 方法。

alist.indexOf("沉默王二");
alist.lastIndexOf("沉默王二");

来看一下 indexOf() 方法的源码:

public int indexOf(Object o) {
    return indexOfRange(o, 0, size);
}

int indexOfRange(Object o, int start, int end) {
    Object[] es = elementData;
    if (o == null) {
        for (int i = start; i < end; i++) {
            if (es[i] == null) {
                return i;
            }
        }
    } else {
        for (int i = start; i < end; i++) {
            if (o.equals(es[i])) {
                return i;
            }
        }
    }
    return -1;
}

如果元素为 null 的时候使用“==”操作符,否则使用 equals() 方法——该方法不是 null 安全的。

lastIndexOf() 方法和 indexOf() 方法类似,不过遍历的时候从最后开始。

contains() 方法可以判断 ArrayList 中是否包含某个元素,其内部调用了 indexOf() 方法:

public boolean contains(Object o) {
    return indexOf(o) >= 0;
}

如果 ArrayList 中的元素是经过排序的,就可以使用二分查找法,效率更快。

Collections 类的 sort() 方法可以对 ArrayList 进行排序,该方法会按照字母顺序对 String 类型的列表进行排序。如果是自定义类型的列表,还可以指定 Comparator 进行排序。

List<String> copy = new ArrayList<>(alist);
copy.add("a");
copy.add("c");
copy.add("b");
copy.add("d");

Collections.sort(copy);
System.out.println(copy);

输出结果如下所示:

[a, b, c, d]

排序后就可以使用二分查找法了:

int index = Collections.binarySearch(copy, "b");

06、最后

关于 ArrayList,就先介绍这么多吧,通过源码的角度,我想小伙伴们一定对 ArrayList 有了更深刻的印象。

简单总结一下 ArrayList 的时间复杂度,方便后面学习 LinkedList 时作为一个对比。

1)通过下标(也就是 get(int index))访问一个元素的时间复杂度为 O(1),因为是直达的,无论数据增大多少倍,耗时都不变。

2)添加一个元素(也就是 add())的时间复杂度为 O(1),因为直接添加到末尾。

3)删除一个元素的时间复杂度为 O(n),因为要遍历列表,数据量增大几倍,耗时也增大几倍。

4)查找一个未排序的列表时间复杂度为 O(n),因为要遍历列表;查找排序过的列表时间复杂度为 O(log n),因为可以使用二分查找法,当数据增大 n 倍时,耗时增大 logn 倍(这里的 log 是以 2 为底的,每找一次排除一半的可能)。


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