分析Java中ArrayList與LinkedList列表結構的源碼_java

一、ArrayList源碼分析（JDK7）

ArrayList內部維護了一個動態Object數組，ArrayList的動態增刪就是對這個對組的動態增加和刪除。

1、ArrayList構造以及初始化

ArrayList執行個體變數//ArrayList預設容量private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;//預設空的Object數組， 用於定義空的ArrayListprivate static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};//ArrayList存放存放元素的Object數組private transient Object[] elementData;//ArrayList中元素的數量private int size;

ArrayList建構函式：

無參建構函式: 即構造一個空的Object[]

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

指定容量大小構造：

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Collection介面的集合構造：

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);}

這裡也說明了Collection的作用， java-collection-framwork設計Collection介面而不是直接使用List，Set等介面的原因。

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定有關， 需要設定VM參數

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

調用Add方法時擴容規則

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);  }

關於modCount： modCount定義在抽象類別AbstratList中， 源碼的注釋基本說明了它的用處:在使用迭代器遍曆的時候，用來檢查列表中的元素是否發生結構性變化（列表元素數量發生改變的一個計數）了，主要在多線程環境下需要使用，防止一個線程正在迭代遍曆，另一個線程修改了這個列表的結構。
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：
每次擴容都會伴隨著數組的複製操作， 因此一次給定恰當的容量會提高一點效能。
下圖是我歸納的整個擴容流程：

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, 下面分別學一下Itr和ListItr的源碼分析。

（1）Itr:只能向後遍曆

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 {        //注意內部類調用外部類的方式        ArrayList.this.remove(lastRet);        //remove之後需要重新調整各個指標的位置        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方法用於擷取ArrayList中的元素。
checkForComodification是java-collection-framwork中的一種fail-fast的錯誤偵測機制。在多線程環境下對同一個集合操作，就可能觸發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執行改變結構的操作的時候例如Add， remove， clear方法時modCount的值會改變。

通過Itr源碼可以看出調用next和remove方法會觸發fail-fast檢查。此時如果在遍曆該集合時， 存在其他線程正在執行改變該集合結構的操作時就會發生異常。

（2）ListItr：支援向前和向後遍曆，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);        //重新標記指標位置        cursor = i + 1;        lastRet = -1;        expectedModCount = modCount;      } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {        throw new ConcurrentModificationException();      }    }  }

ListItr的實現基本與Itr一致， 添加了可以先前遍曆的方法以及add與set方法。

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

CopyOnWriteArrayList是安全執行緒的， 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就是寫時複製的ArrayList。當開始寫資料的操作時候， Arrays.copyOf一個新的數組， 這樣不會影響讀操作。
這樣的代價就是會損耗記憶體， 帶來效能的問題。CopyOnWriteArrayList寫的時候在記憶體中產生一個副本對象， 同時原來的對象仍然存在。
CopyOnWriteArrayList無法保證資料即時的一致， 只能保證結果的一致。適用於並發下讀多寫少得情境， 例如緩衝。

（4）ArrayList的其他方法源碼：

一個私人方法batchRemove(Collection<?>c, boolean complement)， 即大量移除操作

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 {      //遍曆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中如果出現異常，則保證資料一致性執行下面的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修飾的變數指的是同一個引用， 為了後面保持資料的一致性。
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， 相對於順序表， 鏈表格儲存體資料不需要使用地址連續的記憶體單元。減少了修改容器結構而帶來的移動元素的問題，順序訪問相對高效。

1、結點（Node）的定義

JDK中的LinkedList是雙向鏈表， 每個結點分別存有上一個結點和下一個結點的資訊。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構造以及初始化

成員： LinkedList中維護了3個成員變數， 用以記錄鏈表中結點的個數， 結點的前驅以及後繼

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

建構函式： 預設建構函式即構造一個空的LinkedList

public LinkedList() {}

或者根據其他容器進行構造， 後面我們會自己寫一個構造一個有序的鏈表

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

這裡給出一點補充， 關於泛型修飾符? super T 與 ? extends T的區別，參見這篇文章泛型中? super T和? extends T的區別

3、LinkedList的結構操作

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++;  }

插入到當前結點之前： 找當前結點的前驅

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

頭刪法： 刪除鏈表的第一個結點

  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：刪除鏈表的最後一個結點

  private E unlinkLast(Node<E> l) {    //保證l==last 並且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介面與Deque的一致性

List介面允許使用下標來實現對容器的隨機訪問，對於數組這種實現隨機訪問是很容易的。對於鏈表，JDK也從邏輯上利用鏈表中結點的計數給出了隨機訪問的實現

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 屬於前半部分的計數， 從頭遍曆尋找。index屬於後半部分的計數， 從末尾遍曆尋找。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。

LinkedList實現了Deque介面， 也就是LinkedList實現了雙端隊列容器的方法，下面給出一些API的總結。

5、LinkedList的遍曆

既然LinkedList是雙向鏈表， 自然就可以前後遍曆。與ArrayList同樣， 涉及到多線程操作容器的時候LinkedList也會出現fail-fast問題。
對於fail-fast問題上篇已經講解過， 這裡就不說了。

關於迭代器，LinkedList有listIterator雙向迭代器， 和DescendingIterator逆序迭代器。都很簡單。源碼不在分析

如果遍曆元素的話， 隨機訪問的代價是比較大得。

三、LinkedList，ArrayList， Vector總結

1、LinkedList與ArrayList

ArrayList是實現了基於動態數組的資料結構，LinkedList基於鏈表的資料結構。

對於隨機訪問get和set，ArrayList覺得優於LinkedList，因為LinkedList要移動指標。

對於新增和刪除操作add和remove，LinedList比較佔優勢，因為ArrayList要移動資料。這一點要看實際情況的。若只對單條資料插入或刪除，ArrayList的速度反而優於LinkedList。但若是批量隨機的插入刪除資料，LinkedList的速度大大優於ArrayList. 因為ArrayList每插入一條資料，要移動插入點及之後的所有資料。

2、ArrayList與Vector

vector是線程同步的，所以它也是安全執行緒的，而arraylist是線程非同步，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目大於目前集合數組的長度時，vector增長率為目前數組長度的100%,而arraylist增長率為目前數組長度的50%.如過在集合中使用資料量比較大的資料，用vector有一定的優勢。

如果尋找一個指定位置的資料，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資料花費的時間為0(n-i)n為總長度，這個時候就應該考慮到使用linklist,因為它移動一個指定位置的資料所花費的時間為0(1),而查詢一個指定位置的資料時花費的時間為0(i)。

ArrayList 和Vector是採用數組方式儲存資料，此數組元素數大於實際儲存的資料以便增加和插入元素，都允許直接序號索引元素，但是插入資料要設計到數組元素移動等記憶體操作，所以索引資料快插入資料慢，Vector由於使用了synchronized方法（安全執行緒）所以效能上比ArrayList要差，LinkedList使用雙向鏈表實現儲存，按序號索引資料需要進行向前或向後遍曆，但是插入資料時只需要記錄本項的前後項即可，所以插入數度較快！