動態數組底層是如何實現的

来源:https://www.cnblogs.com/jiagooushi/archive/2022/08/04/16550477.html
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動態數組底層是如何實現的 引言: 提到數組,大部分腦海裡一下子想到了一堆東西 int long short byte float double boolean char String 沒錯,他們也可以定義成數組 但是,上面都是靜態的 不過,咱們今天學習的可是動態的(ArrayList 數組) 好接下 ...


動態數組底層是如何實現的

引言:
提到數組,大部分腦海裡一下子想到了一堆東西
int long short byte float double boolean char String
沒錯,他們也可以定義成數組
但是,上面都是靜態的
不過,咱們今天學習的可是動態的(ArrayList 數組)
好接下來,我們一起來下麵的內容

2.1 動態數組的位置

目標:

簡單認識下繼承關係

ArrayList繼承於AbstractList,實現了List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable這些介面

file

從繼承關係看功能

AbstractList類

AbstractList,實現了List。List介面我們都知道,提供了相關的添加、刪除、修改、遍歷等功能

RandmoAccess介面

ArrayList 實現了RandmoAccess介面,即提供了隨機訪問功能; 即list.get(i)

Cloneable介面

ArrayList 實現了Cloneable介面,即覆蓋了函數clone(),能被克隆

Serializable介面

ArrayList 實現java.io.Serializable介面,這意味著ArrayList支持序列化,能通過序列化去傳輸

2.2.動態數組與數據結構

目標:

圖解+面試題快速認識ArrayList

1) 概念介紹

ArrayList 是一個數組隊列,相當於動態(擴容)數組。

我們直接來看對象頭,對其有個簡單認識和猜想:(com.alist.InitialList)

package com.alist;

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

import java.util.ArrayList;

public class ArrayListHeader {


    public static void main(String[] args) {
        int[] i = new int[8];
        ArrayList<Integer> list = new ArrayList(8);
        //將8個int類型依次放入數組和arrayList,註意,一個int占4個位元組
        for (int j = 0; j < 8; j++) {
            i[j] = j;
            list.add(j);
        }

        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(i).toPrintable());
        System.out.println("=============");
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(list).toPrintable());
//        System.out.println(ClassLayout.parseClass(ArrayList.class));
    }
}

2) 執行結果分析:

file

從對象頭,我們大致可以看出ArrayList的數據結構:

  • ArrayList底層用一個數組存儲數據:elementData
  • 額外附加了幾組信息:modeCount(發生修改操作的次數)、size(當前數組的長度)

等會……

  • 為什麼長度不是數組裡的32,而是4個位元組?ArrayList的長度到底應該是多少???
  • 這個數組後面多出來倆null又是怎麼回事???

(下麵構造函數部分會得到詳細答案)

3) 結論 & 面試題

ArrayList外圍暴露出來的只是一些操作的表象,底層數據的存儲和操作都是基於數組的基礎上

這就意味著,它的特性和數組一樣:查詢快!刪除插入慢。

ArrayList訪問為什麼那麼快?

1、ArrayList底層是數組實現的

2、數組是一塊連續的記憶體空間

3、獲取數據可以直接拿地址偏移量(get(i))

file

因此:查詢(確切的說是訪問,而不是查找)的時間複雜度是O(1)

為什麼刪除和增加那麼慢?

增刪會帶來元素的移動,增加數據會向後移動,刪除數據會向前移動,所以影響效率

file

因此:插入、刪除的時間複雜度是O(N)

2.3 動態數組源碼深入剖析

接下來,我們從底層源碼層面看ArrayList的一系列操作

先準備測試代碼,下麵debug用(com.alist.AList

public class AList {

    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<String> arrayList = new ArrayList<String>(2);
        //斷點跟蹤add
        arrayList.add("100");
        arrayList.add("200");
        arrayList.add("300");
        arrayList.add("400");


        //斷點跟蹤get
//        for (int i = 0; i <arrayList.size() ; i++) {
//            arrayList.get(i);//Random
//
//        }


//        //斷點跟蹤remove
//        arrayList.remove(1);
//        //arrayList.remove("100");//和上面邏輯一樣remove
//        System.out.println(arrayList);


//         //斷點跟蹤set
//        arrayList.set(1,"2000000");
//        System.out.println(arrayList);


//        //斷點跟蹤clear
//        arrayList.clear();
//        System.out.println(arrayList);

    }

2.3.1 源碼分析之全局變數

目標:

先認識下類變數和成員變數,方便講解源碼的時候能快速理解

 private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;//預設的初始化容量
 private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};//空,對象數組,註意static,所有空arraylist共用,那不會出問題嗎???(秘密在add數據時的擴容操作里……)
 private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};//空,無參構造使用(1.8才有)
 transient Object[] elementData; // 當前數據對象存放的地方,註意是transient,雖然數組實現了serializable介面,但是它的數據不會被預設的ObjectOutputStream序列化,想做網路傳輸,自己改寫writeObject和readObject方法!
 private int size;//當前數據的個數
 private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;//數組最大長度?(擴容部分有彩蛋)

小問題:

  • ArrayList可以無限大嗎?到底最大是多少?
  • elementData好理解,放數據,又為啥定義兩個空數組?啰嗦不?

上面的定義看似明明白白,其實背地裡藏著很多不為人知的事,我們接著往下看……

2.3.2 源碼分析之構造器

目標:

源碼查看ArrayList的3個構造器

1)無參構造函數

如果不傳入參數,則使用預設無參構建方法創建ArrayList對象,如下:

    public ArrayList() {
        //預設構造函數,很簡單,就是把default empty數組賦給了data
      	//jdk8里才有DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA這貨,並且僅僅被用在了這個構造函數里
      	//官方的解釋是,為了區分判斷第一次add的時候,數組初始化的容量
      	//這個秘密藏在calculateCapacity里(下文會講)
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }

2)帶int類型的構造函數

如果傳入參數,則代表指定ArrayList的初始數組長度,傳入參數如果是大於等於0,則使用用戶的參數初始化,如果用戶傳入的參數小於0,則拋出異常,構造方法如下:

    public ArrayList(int initialCapacity) {
        if (initialCapacity > 0) {
            //以指定容量初始化Object數組
            this.elementData = new Object[initialCapacity];//初始化容量
        } else if (initialCapacity == 0) {
            //如果指定0的話,用empty數組
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        } else {
            //否則,如果是負數的話,扔一個異常出來(哪有長度為負數的??)
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                               initialCapacity);
        }
    }

3)帶Collection對象的構造函數

    public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
        //集合轉換成數組
        elementData = c.toArray();
        //將data長度賦值給size屬性
        if ((size = elementData.length) != 0) {
            // 官方註釋:c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
            // 翻譯:toArray不一定會返回Object數組,參考jdk的bug號……汗!
            // 如果不是Object數組,轉成Object[]
            if (elementData.getClass() != Object[].class)
                elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);//數組賦值,類型轉換
        } else {
            // 如果數據為空,將empty賦給data
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        }
    }

Collection構造器意味著,你可以使用以下一攬子集合對象:

file

總結:

1、構造器一 啥也沒乾,只是聲明瞭一個空數組

2、構造器二 通過自定義的初始化容量創建數組

3、**構造器三 **接受Collection的參數,如果有數據,就轉換成一個新的elementData,否則還是一個空數組

事情有這麼簡單嗎???接著往下看!

問題來了:無參構造和0長度構造有什麼區別?

用代碼說話,我們把對象結構給他打出來:

package com.alist;

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

import java.util.ArrayList;

public class InitialList {
    public static void main(String[] args) {
        //兩種方式構建list,有什麼區別?
        ArrayList list1 = new ArrayList();
        ArrayList list2 = new ArrayList(0);

        //列印對象頭
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(list1).toPrintable());
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(list2).toPrintable());

        System.out.println("========");

        //add一個元素之後再來列印試試
        list1.add(1);
        list2.add(1);

        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(list1).toPrintable());
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(list2).toPrintable());
    }
}

結果分析:
file

原理:

		//calculateCapacity
		//每次元素變動,比如add,會調用該函數判斷容量情況
    private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
      	//定義default empty數組的意義就在這裡!用於擴容時判斷當初採用的是哪種構造函數
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
          	//如果是無參的構造函數,用的就是該default empty
          	//那麼第一次add時候,容量取default和min中較大者
            return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }
      	//如果是另外兩個構造函數,比如指定容量為5,或者初始參數collection為5
      	//那就直接返回5,一定程度上,節約了記憶體空間
        return minCapacity;
    }

結論:

  • 剛構造時,都是空的!add時才初始化(這裡容易誤解,以為預設構造器data初始化就是10)
  • 雖然list可以自動擴容,但儘量初始就預估並定義list的容量,少用無參的構造器,尤其小於10的時候
  • default empty存在的意義:判斷那種構造函數來的,初始階段節約了擴容的空間占用

2.3.3 源碼分析之增加與擴容

目標:

源碼分析ArrayList的增加、擴容方法

add增加與擴容調用流程圖

file

增加源碼(簡單)

public boolean add(E e) {
  //確認容量,不夠則擴容
  ensureCapacityInternal(size + 1);
  //將元素追加到數組的末尾去,同時計數增size++
  elementData[size++] = e;
  return true;
}

擴容源碼(重點)

    private void grow(int minCapacity) {
        //minCapacity:我需要的最小長度,也就是上面的size+1
        int oldCapacity = elementData.length;//先取出舊數組大小
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);//擴容為舊數組的1.5倍;右移一位(除以2)
        if (newCapacity - minCapacity < 0)//如果擴容1.5後還不夠
            newCapacity = minCapacity;//取需求量為新長度,數組的擴容還是比較保守和吝嗇!
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)//新長度大於數組最大長度,彩蛋來了!
            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);//看下麵的huge方法 ↓
        // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);//返回一個新的數組對象
    }



    private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
        if (minCapacity < 0) // 負數說明超出了Integer的範圍,溢出了,拋異常
            throw new OutOfMemoryError();
      	//否則:返回Integer的最大值,而不是最大值-8!驚不驚奇?意不意外?
        return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
            Integer.MAX_VALUE :
            MAX_ARRAY_SIZE;
    }



    //這是為什麼呢?我們一開始integer-8還有啥意義?
    //讓我們返回去,看這個變數的註釋:
		//翻譯:有些VM會在array頭上預留信息,企圖大於這個值也行,但是不保證安全性,可能會溢出報錯!

    /**
     * The maximum size of array to allocate.
     * Some VMs reserve some header words in an array.
     * Attempts to allocate larger arrays may result in
     * OutOfMemoryError: Requested array size exceeds VM limit
     */
    private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

擴容總結:

1、按1.5倍擴容,如果1.5還不夠,取你想要的容量(總之保證夠你用的)

2、數組最大容量是integer的max_value,但是達到這個值的時候,arraylist不保證穩定可靠!

2.3.4 源碼分析之get方法、

目標:

源碼分析ArrayList的get方法

get流程圖解:

file

因為基於數組,所以極其簡單

public E get(int index) { //返回list中指定位置的元素
    rangeCheck(index);//越界檢查

    return elementData(index);//返回list中指定位置的元素,數組訪問,賊快~
}

總結:

和java的數組用法相近

2.3.5 源碼分析之remove方法

目標:

源碼分析ArrayList的remove方法

數組拷貝是重點,可以藉助單步調試debug查看過程

移除回顧

file
remove方法執行流程

file

remove源碼解釋(重點)

    public E remove(int index) {
        rangeCheck(index);//數組越界檢查

        modCount++;//結構性修改次數+1
        E oldValue = elementData(index);//將要移除的元素

        int numMoved = size - index - 1;//刪除指定元素後,需要左移的元素個數(graph)
        if (numMoved > 0)//如果有需要左移的元素,就移動(移動後,要刪除的元素就已經被覆蓋了)
          	//參數:src、src   dest、dest、移動的長度
          	//從data的index+1到data的index,也就是元素挨個前移一格,一共移動num個
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
      	//左移後,最後一個位置還有值,給他搞成null,下一步gc會把對象收走,size計數減少
      	//(藉助斷點查看data數組的最後一個元素的值)
        elementData[--size] = null; 

        return oldValue;//返回剛纔要刪除的值
    }

不好理解的地方

數組變化過程(左移個數,數組合併)

   int numMoved = size - index - 1;//刪除指定元素後,需要左移的元素個數(graph)
        if (numMoved > 0)//如果有需要左移的元素,就移動(移動後,該刪除的元素就已經被覆蓋了)
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                             numMoved);//參數:src、src   dest、dest、移動的長度
        elementData[--size] = null; //左移後,最後一個位置就為空了;size減一,為了讓GC起作用,設置為null

file

總結:

1、移除後 ,後面的節點通過數組拷貝的方式需要左移

2、需要註意的是:如果末端太長,remove是非常耗費性能的

2.3.6 源碼分析之set方法

    public E set(int index, E element) {
      rangeCheck(index);//越界檢查
      E oldValue = elementData(index);//修改前的原素質
      elementData[index] = element;//新元素賦值
      return oldValue;//返回舊的元素
    }

2.3.7 源碼分析之clear方法

目標:

源碼分析ArrayList的clear方法

public void clear() { //從列表中刪除所有元素。該調用返回後,數組將為空    
  modCount++;//修改測試自增    
  // clear to let GC do its work    
  for (int i = 0; i < size; i++)        
    elementData[i] = null;//清除表元素    
  size = 0;//大小為0
}

總結:

清除就是設置為null、大小設置為0;設置null,方便gc

需要註意的是:

clear過後,size=0,但是table的大小並沒有回縮!

file

2.4 動態數組常見面試題

1、哪些集合實現了List介面和Collection介面,各自的優缺點是什麼

file

通過上面類圖可用看出,List介面下有4個實現類,分別為:LinkedList、ArrayList、Vector和Stack

file

List只是個介面,介面也就是定義了一組規範或者api

具體的實現甚至底層存儲可以是完全不同的,比如數組,鏈表

2、ArrayList提供了幾種查詢方式、效率如何?

  • Iterator迭代器遍歷方式
 Integer value = null;
 Iterator iter = list.iterator();
 while (iter.hasNext()) {
     value = (Integer)iter.next();
	 }
  • 隨機訪問 通過索引值遍歷
 Integer value = null;
 for (int i=0; i<list.size(); i++) {
     value = (Integer)list.get(i);        
 }
  • for-each迴圈遍歷
public   void show(List<Object> list){
   list.forEach( s -> System.out.println(s));
}

關於性能:

1、數據量不大的時候,以上三種方式差不多

2、數據量不斷上升的情況下for each表現不錯

3、ArrayList可以存放null嗎?

可以。

4、ArrayList是如何擴容的?

  • 在用無參構造來創建對象的時候其實就是創建了一個空數組,長度為0。add時先分配一個預設大小10,後續擴容,每次擴容都是原容量的1.5倍。
  • 在有參構造中,傳入的參數是正整數就按照傳入的參數來確定創建數組的大小。再進行擴容,每次擴容都是原容量的1.5倍

5、ArrayList是線程安全的嗎?

不是

6、ArrayList插入刪除一定慢麽?

取決於你刪除的元素離數組末端有多遠

本文由傳智教育博學谷 - 狂野架構師教研團隊發佈
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