动态数组底层是如何实现的

动态数组底层是如何实现的

动态数组底层是如何实现的

引言：提到数组，大部分脑海里一下子想到了一堆东西int long short byte float double　boolean　char String没错，他们也可以定义成数组但是，上面都是静态的不过，咱们今天学习的可是动态的（ArrayList 数组）好接下来，我们一起来下面的内容

2.1 动态数组的位置

目标：

简单认识下继承关系

ArrayList继承于AbstractList，实现了List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable这些接口

从继承关系看功能

AbstractList类

AbstractList，实现了List。List接口我们都知道，提供了相关的添加、删除、修改、遍历等功能

RandmoAccess接口

ArrayList 实现了RandmoAccess接口，即提供了随机访问功能； 即list.get(i)

Cloneable接口

ArrayList 实现了Cloneable接口，即覆盖了函数clone()，能被克隆

Serializable接口

ArrayList 实现java.io.Serializable接口，这意味着ArrayList支持序列化，能通过序列化去传输

2.2.动态数组与数据结构

目标：

图解+面试题快速认识ArrayList

1) 概念介绍

ArrayList 是一个数组队列，相当于动态（扩容）数组。

我们直接来看对象头，对其有个简单认识和猜想：（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 list = new ArrayList(8); //将8个int类型依次放入数组和arrayList，注意，一个int占4个字节 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) 执行结果分析：

从对象头，我们大致可以看出ArrayList的数据结构：

ArrayList底层用一个数组存储数据：elementData额外附加了几组信息：modeCount（发生修改操作的次数）、size（当前数组的长度）

等会……

为什么长度不是数组里的32，而是4个字节？ArrayList的长度到底应该是多少？？？这个数组后面多出来俩null又是怎么回事？？？

（下面构造函数部分会得到详细答案）

3) 结论 & 面试题

ArrayList外围暴露出来的只是一些操作的表象，底层数据的存储和操作都是基于数组的基础上 这就意味着，它的特性和数组一样：查询快！删除插入慢。

ArrayList访问为什么那么快？

1、ArrayList底层是数组实现的

2、数组是一块连续的内存空间

3、获取数据可以直接拿地址偏移量（get（i））

因此：查询（确切的说是访问，而不是查找）的时间复杂度是O(1)

为什么删除和增加那么慢？

增删会带来元素的移动，增加数据会向后移动，删除数据会向前移动，所以影响效率

因此：插入、删除的时间复杂度是O(N)

2.3 动态数组源码深入剖析

接下来，我们从底层源码层面看ArrayList的一系列操作

先准备测试代码，下面debug用（com.alist.AList）

public class AList { public static void main(String[] args) { ArrayList arrayList = new ArrayList(2); //断点跟踪add arrayList.add("100"); arrayList.add("200"); arrayList.add("300"); arrayList.add("400"); //断点跟踪get// for (int i = 0; i

2.3.1 源码分析之全局变量

目标：

先认识下类变量和成员变量，方便讲解源码的时候能快速理解

private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;//默认的初始化容量 private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};//空，对象数组，注意static，所有空arraylist共享，那不会出问题吗？？？（秘密在add数据时的扩容操作里……） private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};//空，无参构造使用（1.8才有） transient Object[] elementData; // 当前数据对象存放的地方，注意是transient，虽然数组实现了serializable接口，但是它的数据不会被默认的ObjectOutputStream序列化，想做网络传输，自己改写writeObject和readObject方法！ private int size;//当前数据的个数 private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;//数组最大长度？（扩容部分有彩蛋）

小问题：

ArrayList可以无限大吗？到底最大是多少？elementData好理解，放数据，又为啥定义两个空数组？啰嗦不？

上面的定义看似明明白白，其实背地里藏着很多不为人知的事，我们接着往下看……

2.3.2 源码分析之构造器

目标：

源码查看ArrayList的3个构造器

1）无参构造函数

如果不传入参数，则使用默认无参构建方法创建ArrayList对象，如下：

public ArrayList() { //默认构造函数，很简单，就是把default empty数组赋给了data //jdk8里才有DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA这货，并且仅仅被用在了这个构造函数里 //官方的解释是，为了区分判断第一次add的时候，数组初始化的容量 //这个秘密藏在calculateCapacity里（下文会讲） this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA; }

2）带int类型的构造函数

如果传入参数，则代表指定ArrayList的初始数组长度，传入参数如果是大于等于0，则使用用户的参数初始化，如果用户传入的参数小于0，则抛出异常，构造方法如下：

public ArrayList(int initialCapacity) { if (initialCapacity > 0) { //以指定容量初始化Object数组 this.elementData = new Object[initialCapacity];//初始化容量 } else if (initialCapacity == 0) { //如果指定0的话，用empty数组 this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA; } else { //否则，如果是负数的话，扔一个异常出来（哪有长度为负数的？？） throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+ initialCapacity); } }

3）带Collection对象的构造函数

public ArrayList(Collection c) { //集合转换成数组 elementData = c.toArray(); //将data长度赋值给size属性 if ((size = elementData.length) != 0) { // 官方注释：c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652) // 翻译：toArray不一定会返回Object数组，参考jdk的bug号……汗！ // 如果不是Object数组，转成Object[] if (elementData.getClass() != Object[].class) elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);//数组赋值，类型转换 } else { // 如果数据为空，将empty赋给data this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA; } }

Collection构造器意味着，你可以使用以下一揽子集合对象：

总结：

2、构造器二 通过自定义的初始化容量创建数组

3、*构造器三 *接受Collection的参数，如果有数据，就转换成一个新的elementData，否则还是一个空数组

事情有这么简单吗？？？接着往下看！

问题来了：无参构造和0长度构造有什么区别？

用代码说话，我们把对象结构给他打出来：

package com.alist;import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;import java.util.ArrayList;public class InitialList { public static void main(String[] args) { //两种方式构建list，有什么区别？ ArrayList list1 = new ArrayList(); ArrayList list2 = new ArrayList(0); //打印对象头 System.out.println(ClassLayout.parseInstance(list1).toPrintable()); System.out.println(ClassLayout.parseInstance(list2).toPrintable()); System.out.println("========"); //add一个元素之后再来打印试试 list1.add(1); list2.add(1); System.out.println(ClassLayout.parseInstance(list1).toPrintable()); System.out.println(ClassLayout.parseInstance(list2).toPrintable()); }}

结果分析：

原理：

//calculateCapacity //每次元素变动，比如add，会调用该函数判断容量情况 private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) { //定义default empty数组的意义就在这里！用于扩容时判断当初采用的是哪种构造函数 if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) { //如果是无参的构造函数，用的就是该default empty //那么第一次add时候，容量取default和min中较大者 return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity); } //如果是另外两个构造函数，比如指定容量为5，或者初始参数collection为5 //那就直接返回5，一定程度上，节约了内存空间 return minCapacity; }

结论：

刚构造时，都是空的！add时才初始化（这里容易误解，以为默认构造器data初始化就是10）虽然list可以自动扩容，但尽量初始就预估并定义list的容量，少用无参的构造器，尤其小于10的时候default empty存在的意义：判断那种构造函数来的，初始阶段节约了扩容的空间占用

2.3.3 源码分析之增加与扩容

目标：

源码分析ArrayList的增加、扩容方法

add增加与扩容调用流程图

增加源码（简单）

public boolean add(E e) { //确认容量，不够则扩容 ensureCapacityInternal(size + 1); //将元素追加到数组的末尾去，同时计数增size++ elementData[size++] = e; return true;}

扩容源码（重点）

private void grow(int minCapacity) { //minCapacity：我需要的最小长度，也就是上面的size+1 int oldCapacity = elementData.length;//先取出旧数组大小 int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);//扩容为旧数组的1.5倍；右移一位（除以2） if (newCapacity - minCapacity < 0)//如果扩容1.5后还不够 newCapacity = minCapacity;//取需求量为新长度，数组的扩容还是比较保守和吝啬！ if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)//新长度大于数组最大长度，彩蛋来了！ newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);//看下面的huge方法 ↓ // minCapacity is usually close to size, so this is a win: elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);//返回一个新的数组对象 } private static int hugeCapacity(int minCapacity) { if (minCapacity < 0) // 负数说明超出了Integer的范围，溢出了，抛异常 throw new OutOfMemoryError(); //否则：返回Integer的最大值，而不是最大值-8！惊不惊奇？意不意外？ return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ? Integer.MAX_VALUE : MAX_ARRAY_SIZE; } //这是为什么呢？我们一开始integer-8还有啥意义？ //让我们返回去，看这个变量的注释： //翻译：有些VM会在array头上预留信息，企图大于这个值也行，但是不保证安全性，可能会溢出报错！ /** * 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;

扩容总结：1、按1.5倍扩容，如果1.5还不够，取你想要的容量（总之保证够你用的）2、数组最大容量是integer的max_value，但是达到这个值的时候，arraylist不保证稳定可靠！

2.3.4 源码分析之get方法、

目标：

源码分析ArrayList的get方法

get流程图解：

因为基于数组，所以极其简单

public E get(int index) { //返回list中指定位置的元素 rangeCheck(index);//越界检查 return elementData(index);//返回list中指定位置的元素，数组访问，贼快~}

总结：和java的数组用法相近

2.3.5 源码分析之remove方法

目标：

源码分析ArrayList的remove方法

数组拷贝是重点，可以借助单步调试debug查看过程

移除回顾

remove方法执行流程

remove源码解释（重点）

public E remove(int index) { rangeCheck(index);//数组越界检查 modCount++;//结构性修改次数+1 E oldValue = elementData(index);//将要移除的元素 int numMoved = size - index - 1;//删除指定元素后，需要左移的元素个数(graph) if (numMoved > 0)//如果有需要左移的元素，就移动（移动后，要删除的元素就已经被覆盖了） //参数：src、src dest、dest、移动的长度 //从data的index+1到data的index，也就是元素挨个前移一格，一共移动num个 System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved); //左移后，最后一个位置还有值，给他搞成null，下一步gc会把对象收走，size计数减少 //（借助断点查看data数组的最后一个元素的值） elementData[--size] = null; return oldValue;//返回刚才要删除的值 }

不好理解的地方

数组变化过程（左移个数，数组合并）

int numMoved = size - index - 1;//删除指定元素后，需要左移的元素个数(graph) if (numMoved > 0)//如果有需要左移的元素，就移动（移动后，该删除的元素就已经被覆盖了） System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);//参数：src、src dest、dest、移动的长度 elementData[--size] = null; //左移后，最后一个位置就为空了；size减一，为了让GC起作用，设置为null

总结：1、移除后 ，后面的节点通过数组拷贝的方式需要左移2、需要注意的是：如果末端太长，remove是非常耗费性能的

2.3.6 源码分析之set方法

public E set(int index, E element) { rangeCheck(index);//越界检查 E oldValue = elementData(index);//修改前的原素质 elementData[index] = element;//新元素赋值 return oldValue;//返回旧的元素 }

2.3.7 源码分析之clear方法

目标：

源码分析ArrayList的clear方法

public void clear() { //从列表中删除所有元素。该调用返回后，数组将为空 modCount++;//修改测试自增 // clear to let GC do its work for (int i = 0; i < size; i++) elementData[i] = null;//清除表元素 size = 0;//大小为0}

总结：

清除就是设置为null、大小设置为0；设置null，方便gc

需要注意的是：

clear过后，size=0，但是table的大小并没有回缩！

2.4 动态数组常见面试题

1、哪些集合实现了List接口和Collection接口，各自的优缺点是什么

通过上面类图可用看出，List接口下有4个实现类，分别为：LinkedList、ArrayList、Vector和Stack。

List只是个接口，接口也就是定义了一组规范或者api具体的实现甚至底层存储可以是完全不同的，比如数组，链表

2、ArrayList提供了几种查询方式、效率如何？

Iterator迭代器遍历方式

Integer value = null; Iterator iter = list.iterator(); while (iter.hasNext()) { value = (Integer)iter.next(); }

随机访问 通过索引值遍历

Integer value = null; for (int i=0; i

for-each循环遍历

public void show(List