手撕java集合源码——List篇
你知道的越多，你不知道的越多
希望你看完这篇文章，当面试官的问你有没有手撕过源码，你可以自信的告诉他，不好意思，我把他撕烂了。
本文 收录GitHub JavaStudy 欢迎Star和完善，里面放了学习的一些资料，希望我们一起学习冲进大厂。
阅读list集合观察它们底层是如何实现的，以及集合面试中提出的问题进行实践。
list集合中常用的类为Arraylist、LinkedLIst。
两者的区别
| 区别 | Arraylist | LinkedList |
|---|---|---|
| 底层实现 | 数组 | 双向链表 |
| 适用场景 | 增删操作较少，查找较多 | 增删效率较高，查找效率较低 |
| 容量大小 | 数组大小不能超过Integer最大值 | 理论无限增加，实际size范围为Integer最大值 |
| 线程安全 | 线程不安全 | 线程不安全 |
| NUll值处理 | 允许添加NUll值 | 允许添加NUll值 |
下面分别对着源码来进行逐条比较
底层实现
Arraylist
....
private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = new Object[0];
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = new Object[0];
transient Object[] elementData;
private int size;
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = 2147483639;
...
//构造方法1
public ArrayList(int var1) {
if (var1 > 0) {
this.elementData = new Object[var1];
} else {
if (var1 != 0) {
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: " + var1);
}
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}
}
//构造方法2
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
//构造方法3
public ArrayList(Collection<? extends E> var1) {
this.elementData = var1.toArray();
if ((this.size = this.elementData.length) != 0) {
if (this.elementData.getClass() != Object[].class) {
this.elementData = Arrays.copyOf(this.elementData, this.size, Object[].class);
}
} else {
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}
}
复制代码ArrayList的三个构造方法分别初始化了ElementData变量不同的值。若传入参数<=0或者使用无参构造函数会赋值数组element对象一个长度为0的Object数组。
LinkedList
//linkedList集合元素
transient int size = 0;
transient Node<E> first;
transient Node<E> last;
private static class Node<E> {
E item;
Node<E> next;
Node<E> prev;
Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
this.item = element;
this.next = next;
this.prev = prev;
}
}
//构造方法1
public LinkedList() {
}
//构造方法2
public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
this();
addAll(c);
}
复制代码LinkedList内部实现很简单只有一个头节点，一个尾节点，以及一个size变量来记录集合中的元素。Ctrl点入Node。发现这是一个泛型类，内部保存两个指针，指向前后两个节点，E 类型的变量。如果链表数据为空的话，头尾节点是同一个节点，本身是 null，指向前后节点的值也是 null。
总结
Arraylist和Linkedlist实现底层都跟数据结构有关系，可以转换为链表以及数组的优缺点进行两者的回答，链表的扩容更加方便，而数组的查找更加便捷。具体如何可以给面试官讲你看到的细节。
适用场景
Arraylist
Arraylist底层是使用数组来进行实现，对于数组的查找只要通过下标便可以获得，查找时间复杂度为O(1);数组的删除操作为删除该下标节点，并将后续节点前移动，具体实现为使用System.arraycopy()方法时间复杂度为O(n)。添加方法分为尾部添加以及指定位置添加，尾部添加时间复杂度为O(n),指定位置添加与删除类似。
//查找操作
public E get(int var1) {
//查找范围判断 下标是否越界
this.rangeCheck(var1);
return this.elementData(var1);
}
//添加操作
public boolean add(E var1) {
//检查数组是否需要扩容
this.ensureCapacityInternal(this.size + 1);
this.elementData[this.size++] = var1;
return true;
}
//指定位置添加元素
public void add(int var1, E var2) {
//指定位置 越界判断
this.rangeCheckForAdd(var1);
this.ensureCapacityInternal(this.size + 1);
//底层native方法
System.arraycopy(this.elementData, var1, this.elementData, var1 + 1, this.size - var1);
this.elementData[var1] = var2;
++this.size;
}
//删除方法
public E remove(int var1) {
this.rangeCheck(var1);
//modCount 记录列表结构修改次数
++this.modCount;
Object var2 = this.elementData(var1);
int var3 = this.size - var1 - 1;
if (var3 > 0) {
System.arraycopy(this.elementData, var1 + 1, this.elementData, var1, var3);
}
this.elementData[--this.size] = null;
return var2;
}
复制代码Linkedlist
Linkedlist底层是使用双向链表来进行实现，所以对于元素的添加更加灵活，对于添加操作，有表首添加表尾添加，以及制定位置添加。对于链表的遍历时间复杂度都为O(n),表首添加和表尾添加时间复杂度为O(1),查找操作时间复杂度为O(n)但是底层有利用二分思想进行细微的优化。删除操作为O(n);
//表首添加 与表尾添加 方法类似 以addfirst为例
public void addFirst(E e) {
linkFirst(e);
}
private void linkFirst(E e) {
final Node<E> f = first;
final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
first = newNode;
if (f == null)//表为空，设置表尾节点也是这个元素
last = newNode;
else
f.prev = newNode;
size++;
modCount++;
}
//查找操作 node方法中使用一次二分判断进行优化
public E get(int index) {
checkElementIndex(index);
return node(index).item;
}
Node<E> node(int index) {
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;
}
}
//移除操作分为表首移除和表尾移除，以及指定元素删除 以指定元素删除为例
public boolean remove(Object o) {
//添加时未对空进行判断所以移动时进行判断
if (o == null) {
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
if (x.item == null) {
unlink(x);
return true;
}
}
} else {
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
if (o.equals(x.item)) {
unlink(x);
return true;
}
}
}
return false;
}
复制代码容量大小
Arraylist 可以从size获取到列表中当元素的个数，所以通过Arraylist类中size的大小就可以判断数组的大小，其次通过Arraylist的扩容函数也可以发现这一点，之后会介绍。 同时创建一个数组数组的容量大小也是跟虚拟机heap大小相互关联。
public int size() {
return this.size; //返回的元素为int型 所以数组大小被限制为最大2147483647
}
复制代码//main代码
public static void main(String[] args) {
ArrayList<Integer> a=new ArrayList<>(100000);
}
//结果
Error occurred during initialization of VM
GC triggered before VM initialization completed. Try increasing NewSize, current value 1536K.
复制代码Linkedlist 底层是双向链表，理论上可以无限大。但源码中，LinkedList 实际大小用的是 int 类型，这也说明了 LinkedList 不能超过 Integer 的最大值，不然会溢出。
public class LinkedList<E>
extends AbstractSequentialList<E>
implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable
{
transient int size = 0;
......
......
复制代码线程安全
Arraylist和Linkedlist都不是线程安全的。当链表对象作为一个共享变量，多个线程在任何时刻下都可以对链表进行操作导致数值覆盖等问题。只有当链表对象作为局部变量的时候是没有线程安全问题的。
若想创建一个线程安全的链表可以使用Collections.synchronizedList()方法，底层实现是将链表转换为SynchronizedList类该类的所有方法都带有Synchronized方法。
Collections.synchronizedList(a);
//底层实现
public static <T> List<T> synchronizedList(List<T> list) {
return (list instanceof RandomAccess ?
new SynchronizedRandomAccessList<>(list) :
new SynchronizedList<>(list));
}
复制代码NUll值处理
Arraylist和Linkedlist类中对于添加NUll值时并没有特殊判断所以在删除时要对null进行判断。
//Arraylist类 删除方法
public boolean remove(Object var1) {
int var2;
if (var1 == null) {
for(var2 = 0; var2 < this.size; ++var2) {
if (this.elementData[var2] == null) {
this.fastRemove(var2);
return true;
}
}
} else {
for(var2 = 0; var2 < this.size; ++var2) {
if (var1.equals(this.elementData[var2])) {
this.fastRemove(var2);
return true;
}
}
}
return false;
}
//linkedlist类的null值remove方法在适用场景处已经举出，不在重复
复制代码难点 ：Arraylist扩容操作
了解Arraylist扩容的最好办法就是一路debug下去了解扩容机制整体流程。
public static void main(String[] args) {
ArrayList<Integer> a=new ArrayList<>();
a.add(1);
a.add(2);
}
复制代码Debug分析可得首先进行ensureCapacityInternal()方法进行size判断,若数组为第一次添加元素则初始化数组大小为10，若数组size+1后小于数组容量，就直接添加否则调用grow()扩容函数。
st=>start: add()
e=>end: 结束
op=>operation: ensureCapacityInternal() 容量判断
cond=>condition: Elements数组是否为空
io=>operation: minCapacity设置为10
three=>operation: ensureExplicitCapacity(minCapacity)
panduan=>condition: minCapacity>Elements.length
grow=>operation: grow()
st(right)->op(right)->cond
cond(yes)->io(right)->e
cond(no)->panduan
io->three->panduan
panduan(yes,right)->grow->e
panduan(no)->e
复制代码//扩容函数
private void grow(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length;
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
if (newCapacity - minCapacity < 0)
1 newCapacity = minCapacity;
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
2 newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
// minCapacity is usually close to size, so this is a win:
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
复制代码扩容内部使用1.5倍扩容来实现 其中使用右移运算符来进行0.5倍长度计算，使用右移而不是除法，因为计算机底层右移操作速度更快。如果扩容后的数组大小仍小于要添加元素大小，会将大小设置为要添加元素大小
举例：先前我们已经计算出来数组在加入一个值后，实际大小是 1，最大可用大小是 10 ，现 在需要一下子加入 15 个值，那我们期望数组的大小值就是 16，此时数组最大可用大小只有 10，明显不够，需要扩容，扩容后的大小是：10 + 10 ／2 = 15，这时候发现扩容后的大小仍 然不到我们期望的值 16，这时候源码使用上述策略如下：所以最终数组扩容后的大小为 16。
如果遇到大数组的情况：最好一次性添加元素容量使用addAll(Collection<? extends E> c)方法，而不要使用for循环add，因为循环add，会造成多次扩容，性能降低。
源码扩容过程有什么值得借鉴的地方？
- 是扩容的思想值得学习，通过自动扩容的方式，让使用者不用关心底层数据结构的变化，封 装得很好，1.5 倍的扩容速度，可以让扩容速度在前期缓慢上升，在后期增速较快，大部分 工作中要求数组的值并不是很大，所以前期增长缓慢有利于节省资源，在后期增速较快时， 也可快速扩容。
- 扩容过程中，有数组大小溢出的意识，比如要求扩容后的数组大小，不能小于 0，不能大于 Integer 的最大值。
难点：Arraylist remove方法
先看代码 猜测结果是多少？
public static void main(String[] args) {
ArrayList<Integer> a=new ArrayList<>();
a.add(1);
a.add(1);
a.add(1);
a.add(1);
for (int i = 0; i < a.size(); i++) {
if(a.get(i)==1){
a.remove(i);
}
}
System.out.println(a.size());
}
复制代码输出结果为2，而不是0，原因是底层在remove后调用System.copyOf()方法进行复制，将删除Element[0]后，放在Element[1]的值放在Element[0]处，使得原先Element[1]元素未被删除。
如果使用foreach()方法结果如何？
for (int i:a) {
if(i==1){
a.remove(i);
}
}
复制代码输出结果为Exception in thread "main" java.util.ConcurrentModificationException
再次Debug进去走一遍流程，哪里出了问题。
foreach的内部实现是使用Iterator迭代器来实现。因为增强 for 循环过程其实调用的就是迭代器的 next () 方法，当你调用list#remove () 方 法 进 行 删 除 时 ， modCount 的 值 会 +1 ， 而 这 时 候 迭 代 器 中 的expectedModCount 的 值 却 没 有 变 ， 导 致 在 迭 代 器 下 次 执 行 next () 方 法 时 ，expectedModCount != modCount 就会报 ConcurrentModificationException 的错误。
那如果使用Iterator.remove () 方法可以删除么，为什么？
可以的，因为 Iterator.remove () 方法在执行的过程中，会把最新的 modCount 赋值给expectedModCount，这样在下次循环过程中，modCount 和 expectedModCount 两者就会相等。
//Iterator内部remove方法
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();
}
}
复制代码好了以上就是在阅读Linkedlist和Arraylist中遇到的问题以及使用Debug观察后的感受。
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