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<Integer> 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<String> arrayList = new ArrayList<String>(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 <arrayList.size() ; i++) {
// arrayList.get(i);//Random
//
// }
// //断点跟踪remove
// arrayList.remove(1);
// //arrayList.remove("100");//和上面逻辑一样remove
// System.out.println(arrayList);
// //断点跟踪set
// arrayList.set(1,"2000000");
// System.out.println(arrayList);
// //断点跟踪clear
// arrayList.clear();
// System.out.println(arrayList);
}
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<? extends E> 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：
1、构造器一 啥也没干，只是声明了一个空数组
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<list.size(); i++) {
value = (Integer)list.get(i);
}
- for-each循环遍历
public void show(List<Object> list){
list.forEach( s -> System.out.println(s));
}
关于性能：
1、数据量不大的时候，以上三种方式差不多
2、数据量不断上升的情况下for each表现不错
3、ArrayList可以存放null吗？
可以。
4、ArrayList是如何扩容的？
- 在用无参构造来创建对象的时候其实就是创建了一个空数组，长度为0。add时先分配一个默认大小10，后续扩容，每次扩容都是原容量的1.5倍。
- 在有参构造中，传入的参数是正整数就按照传入的参数来确定创建数组的大小。再进行扩容，每次扩容都是原容量的1.5倍
5、ArrayList是线程安全的吗？
不是
6、ArrayList插入删除一定慢么？
取决于你删除的元素离数组末端有多远
本文由传智教育博学谷 – 狂野架构师教研团队发布
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