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JDK集合源码之ArrayList解析(附带面试题举例)

简介: JDK集合源码之ArrayList解析(附带面试题举例)
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1. ArrayList 继承体系

image.png

ArrayList 又称动态数组,底层是基于数组实现的List,与数组的区别在于,其具备动态扩展能力。从继承体系图中可看出ArrayList

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
    ...
}


实现了List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable等接口

实现了List,具备基础的添加、删除、遍历等操作

实现了RandomAccess,具备随机访问的能力

实现了Cloneable,可以被克隆(浅拷贝) list.clone()

实现了Serializable,可以被序列化

2. ArrayList 实现Cloneable,RandomAccess,Serializable接口

实现Cloneable接口,可以被浅拷贝

 /**
  * Returns a shallow copy of this <tt>ArrayList</tt> instance.  (The
  * elements themselves are not copied.)
  * 返回此<tt> ArrayList </ tt>实例的拷贝副本。 (元素本身不会被复制。)
  *
  * @return a clone of this <tt>ArrayList</tt> instance
  */
 public Object clone() {
     try {
         ArrayList<?> v = (ArrayList<?>) super.clone();
         // 拷贝
         v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);
         v.modCount = 0;
         return v;
     } catch (CloneNotSupportedException e) {
         // this shouldn't happen, since we are Cloneable
         throw new InternalError(e);
     }
 }


在java语言中,对象实现 Cloneable 接口时,能够对其进行深拷贝和浅拷贝,这里简述下,深拷贝和浅拷贝的区别:

首先创建一个User类:

/**
 * @Auther: csp1999
 * @Date: 2020/10/28/15:51
 * @Description:
 */
public class User {
    private String name;// user名称
    public String getName() {return name;}
    public void setName(String name) {this.name = name; }
    public User(String name) { this.name = name;}
    public User() {}
    @Override
    public String toString() {
        return "User{" +
                "name='" + name + '\'' +
                '}';
    }
}

下面来看浅拷贝实例:

@Test
public void test02() {
    /**
     * 简单演示ArrayList 浅拷贝:
     */
    ArrayList list = new ArrayList();
    //User 对象实例化
    User user = new User("csp");
    list.add("abc");// list添加简单字符类型
    list.add(user);// list添加对象类型
    System.out.println("------------原始ArrayList集合------------");
    System.out.println("list:"+list);
    // 浅拷贝
    ArrayList clone = (ArrayList) list.clone();
    System.out.println("------------浅拷贝后得到的新ArrayList集合------------");
    System.out.println("二者地址是否相同:" + (list == clone));
    System.out.println("------------未修改list中的User属性之前------------");
    System.out.println("clone:"+clone);
    System.out.println("------------当修改list中的User属性之后------------");
    User u = (User) list.get(1);
    u.setName("csp1999");
    System.out.println("clone:"+clone);
    System.out.println("clone中的user对象和原始list中的user对象地址是否相同:"+(list.get(1)==clone.get(1)));
}

输出结果:

------------原始ArrayList集合------------
list:[abc, User{name='csp'}]
------------浅拷贝后得到的新ArrayList集合------------
二者地址是否相同:false
------------未修改list中的User属性之前------------
clone:[abc, User{name='csp'}]
------------当修改list中的User属性之后------------
clone:[abc, User{name='csp1999'}]
clone中的user对象和原始list中的user对象地址是否相同:true

由结果可得出结论:


当最初的list 集合被克隆之后,实际上是产生了一个新的ArrayList对象,二者地址引用不相同

当从list集合中获取到user对象并修改其属性之后,clone集合中的user属性也对应发生了改变,这就说明,clone在复制list集合时,对复杂的对象类型数据元素,只是拷贝了其地址引用,并未对其进行新建对象

因此,执行list.get(1)==clone.get(1))代码的时候,二者存储的user是同一个user对象,地址和数据均相同

而如果进行深拷贝时,就会在list被克隆新创建克隆对象时,对其存储的复杂对象类型也进行对象新创建,复杂对象类型数据获得新的地址引用,而不是像浅拷贝那样,仅仅拷贝了复杂对象类型的地址引用。



实现RandomAccess接口,可以提高随机访问列表的效率

ArrayList 实现了RandomAccess接口,因此当执行随机访问列表的时候,效率要高于顺序访问列表的效率,我们来看一个例子:

@Test
public void test03() {
    ArrayList arrayList = new ArrayList();
    for (int i=0;i<=99999;i++){// 集合中添加十万条数据
        arrayList.add(i);
    }
    // 测试随机访问的效率:
    long startTime = System.currentTimeMillis();
    for (int i = 0; i < arrayList.size(); i++) {// 随机访问
        // 从集合中访问每一个元素
        arrayList.get(i);
    }
    long endTime = System.currentTimeMillis();
    System.out.println("执行随机访问所用时间:"+(endTime-startTime));
    // 测试顺序访问的效率:
    startTime = System.currentTimeMillis();
    Iterator it = arrayList.iterator();// 顺序访问,也可以使用增强for
    while (it.hasNext()){
        // 从集合中访问每一个元素
        it.next();
    }
    endTime = System.currentTimeMillis();
    System.out.println("执行顺序访问所用时间:"+(endTime-startTime));
}

查看输出结果:

执行随机访问所用时间:1
执行顺序访问所用时间:3

可以看出实现RandomAccess接口的ArrayList 进行随机访问的效率高于进行顺序访问的效率。

作为对比我们再来看一下未实现RandomAccess接口的LinkedList集合,测试随机访问和顺序访问列表的效率对比:

@Test
public void test04() {
    LinkedList linkedList = new LinkedList();
    for (int i=0;i<=99999;i++){// 集合中添加十万条数据
        linkedList.add(i);
    }
    // 测试随机访问的效率:
    long startTime = System.currentTimeMillis();
    for (int i = 0; i < linkedList.size(); i++) {// 随机访问
        // 从集合中访问每一个元素
        linkedList.get(i);
    }
    long endTime = System.currentTimeMillis();
    System.out.println("执行随机访问所用时间:"+(endTime-startTime));
    // 测试顺序访问的效率:
    startTime = System.currentTimeMillis();
    Iterator it = linkedList.iterator();// 顺序访问,也可以使用增强for
    while (it.hasNext()){
        // 从集合中访问每一个元素
        it.next();
    }
    endTime = System.currentTimeMillis();
    System.out.println("执行顺序访问所用时间:"+(endTime-startTime));
}

查看输出结果:

执行随机访问所用时间:4601
执行顺序访问所用时间:2


由结果可得出结论,没有实现RandomAccess接口的LinkedList集合,测试随机访问的效率远远低于顺序访问。


3. ArrayList 属性

/**
 * Default initial capacity.
 * 默认容量
 */
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
/**
 * Shared empty array instance used for empty instances.
 * 空数组,如果传入的容量为0时使用
 */
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/**
 * Shared empty array instance used for default sized empty instances.
 * We distinguish this from EMPTY_ELEMENTDATA to know how much to inflate when first element is added.
 * 默认空容量的数组,长度为0,传入容量时使用,添加第一个元素的时候会重新初始为默认容量大小
 */
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/**
 * The array buffer into which the elements of the ArrayList are stored.
 * The capacity of the ArrayList is the length of this array buffer. Any
 * empty ArrayList with elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
 * will be expanded to DEFAULT_CAPACITY when the first element is added.
 * 集合中真正存储数据元素的数组容器
 */
transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
/**
 * The size of the ArrayList (the number of elements it contains).
 * 集合中元素的个数
 * @serial
 */
private int size;

DEFAULT_CAPACITY:集合的默认容量,默认为10,通过new ArrayList()创建List集合实例时的默认容量是10。

EMPTY_ELEMENTDATA:空数组,通过new ArrayList(0)创建List集合实例时用的是这个空数组。

DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA:默认容量空数组,这种是通过new ArrayList()无参构造方法创建集合时用的是这个空数组,与EMPTY_ELEMENTDATA的区别是在添加第一个元素时使用这个空数组的会初始化为DEFAULT_CAPACITY(10)个元素。

elementData:存储数据元素的数组,使用transient修饰,该字段不被序列化。

size:存储数据元素的个数,elementData数组的长度并不是存储数据元素的个数。

4. ArrayList 构造方法

ArrayList(int initialCapacity)有参构造方法

/**
 * Constructs an empty list with the specified initial capacity.
 * 构造具有指定初始容量的空数组
 *
 * @param initialCapacity the initial capacity of the list 列表的初始容量
 * @throws IllegalArgumentException if the specified initial capacity is negative
 *
 * 传入初始容量,如果大于0就初始化elementData为对应大小,如果等于0就使用EMPTY_ELEMENTDATA空数组,
 * 如果小于0抛出异常。
 */
// ArrayList(int initialCapacity)构造方法
public ArrayList(int initialCapacity) {
    if (initialCapacity > 0) {
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
    } else if (initialCapacity == 0) {
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    } else {
        throw new IllegalArgumentException("不合理的初识容量: " +
                initialCapacity);
    }
}


ArrayList()空参构造方法

 /**
  * Constructs an empty list with an initial capacity of ten.
  * 构造一个初始容量为10的空数组
  *
  * 不传初始容量,初始化为DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA空数组,
  * 会在添加第一个元素的时候扩容为默认的大小,即10。
  */
 public ArrayList() {
     this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
 }

ArrayList(Collection c)有参构造方法

/**
 * Constructs a list containing the elements of the specified
 * collection, in the order they are returned by the collection's
 * iterator.
 * 把传入集合的元素初始化到ArrayList中
 *
 * @param c the collection whose elements are to be placed into this list
 * @throws NullPointerException if the specified collection is null
 */
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
    // 将构造方法中的集合参数转换成数组
    elementData = c.toArray();
    if ((size = elementData.length) != 0) {
        // 检查c.toArray()返回的是不是Object[]类型,如果不是,重新拷贝成Object[].class类型
        if (elementData.getClass() != Object[].class)
            // 数组的创建与拷贝
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
    } else {
        // 如果c是空的集合,则初始化为空数组EMPTY_ELEMENTDATA
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
}

问题:为什么要检查检查c.toArray()返回的是不是Object[]类型,重新拷贝成Object[].class类型呢?

首先,我们都知道Object 是java中的超级父类,所有类都间接或者直接继承于Object,接着我们来看一个例子:

/**
 * @Auther: csp1999
 * @Date: 2020/10/27/23:22
 * @Description:
 */
public class ArrayListTest {
    class Father {}
    class Son extends Father {}
    class MyList extends ArrayList<String> {
        /**
         * 子类重写父类的方法,返回值可以不一样,但这里只能用数组类型,
         * 换成Object就不行,应该算是java本身的bug
         */
        @Override
        public String[] toArray() {
            // 为了方便举例直接写死
            return new String[]{"a", "b", "c"};
        }
    }
    @Test
    public void test01() {
        Father[] fathers = new Son[]{};
        // 打印结果为: class [Lcom.haust.test.ArrayListTest$Son;
        System.out.println(fathers.getClass());

        List<String> strList = new MyList();
        // 打印结果为: class [Ljava.lang.String;
        System.out.println(strList.toArray().getClass());
    }
}

5. ArrayList 相关操作方法

add(E e)添加元素到集合中

添加元素到末尾,平均时间复杂度为O(1):

 /**
 * Appends the specified element to the end of this list.
 * 添加元素到末尾,平均时间复杂度为O(1)
 *  * @param e element to be appended to this list
 * @return <tt>true</tt> (as specified by {@link Collection#add})
  */
 public boolean add(E e) {
     // 每加入一个元素,minCapacity大小+1,并检查是否需要扩容
     ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
     // 把元素插入到最后一位
     elementData[size++] = e;
     return true;
 }
// 计算最小容量
private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
    // 如果是空数组DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        // 返回DEFAULT_CAPACITY 和 minCapacity的大一方
        return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    return minCapacity;
}
// 检查是否需要扩容
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;// 数组结构被修改的次数+1
    // overflow-conscious code 储存元素的数据长度小于需要的最小容量时
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        // 扩容
        grow(minCapacity);
}
/**
 * 扩容
 * Increases the capacity to ensure that it can hold at lea
 * number of elements specified by the minimum capacity arg
 * 增加容量以确保它至少可以容纳最小容量参数指定的元素数量
 * @param minCapacity the desired minimum capacity
 */
private void grow(int minCapacity) {
    // 原来的容量
    int oldCapacity = elementData.length;
    // 新容量为旧容量的1.5倍
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    // 如果新容量发现比需要的容量还小,则以需要的容量为准
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    // 如果新容量已经超过最大容量了,则使用最大容量
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    // 以新容量拷贝出来一个新数组
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
// 使用最大容量
private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
    if (minCapacity < 0) // overflow
        throw new OutOfMemoryError();
    return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
            Integer.MAX_VALUE :
            MAX_ARRAY_SIZE;
}

执行流程:


检查是否需要扩容;

如果elementData等于DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA则初始化容量大小为DEFAULT_CAPACITY;

新容量是老容量的1.5倍(oldCapacity + (oldCapacity >> 1)),如果加了这么多容量发现比需要的容量还小,则以需要的容量为准;

创建新容量的数组并把老数组拷贝到新数组;

add(int index, E element)添加元素到指定位置

添加元素到指定位置,平均时间复杂度为O(n):

/**
 * Inserts the specified element at the specified position in this
 * list. Shifts the element currently at that position (if any) and
 * any subsequent elements to the right (adds one to their indices).
 * 添加元素到指定位置,平均时间复杂度为O(n)。
 *  * @param index   指定元素要插入的索引
 * @param element 要插入的元素
 * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
 */
public void add(int index, E element) {
    // 检查是否越界
    rangeCheckForAdd(index);
    // 检查是否需要扩容
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    // 将inex及其之后的元素往后挪一位,则index位置处就空出来了
    // **进行了size-索引index次操作**
    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
            size - index);
    // 将元素插入到index的位置
    elementData[index] = element;
    // 元素数量增1
    size++;
}
/**
 * A version of rangeCheck used by add and addAll.
 * add和addAll方法使用的rangeCheck版本
 */
// 检查是否越界
private void rangeCheckForAdd(int index) {
    if (index > size || index < 0)
        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}

执行流程:

  • 检查索引是否越界;
  • 检查是否需要扩容;
  • 把插入索引位置后的元素都往后挪一位;
  • 在插入索引位置放置插入的元素;
  • 元素数量增1;

addAll(Collection c)添加所有集合参数中的所有元素

求两个集合的并集:

/**
 * Appends all of the elements in the specified collection to the end of
 * this list, in the order that they are returned by the
 * specified collection's Iterator.  The behavior of this operation is
 * undefined if the specified collection is modified while the operation
 * is in progress.  (This implies that the behavior of this call is
 * undefined if the specified collection is this list, and this
 * list is nonempty.)
 * 将集合c中所有元素添加到当前ArrayList中
 *  * @param c collection containing elements to be added to this list
 * @return <tt>true</tt> if this list changed as a result of the call
 * @throws NullPointerException if the specified collection is null
 */
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
    // 将集合c转为数组
    Object[] a = c.toArray();
    int numNew = a.length;
    // 检查是否需要扩容
    ensureCapacityInternal(size + numNew);  // Increments modCount
    // 将c中元素全部拷贝到数组的最后
    System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
    // 集合中元素的大小增加c的大小
    size += numNew;
    // 如果c不为空就返回true,否则返回false
    return numNew != 0;
}

执行流程:

  • 拷贝c中的元素到数组a中;
  • 检查是否需要扩容;
  • 把数组a中的元素拷贝到elementData的尾部;

get(int index)获取指定索引位置的元素

获取指定索引位置的元素,时间复杂度为O(1)。

/**
 * Returns the element at the specified position in this list.
 *  * @param index index of the element to return
 * @return the element at the specified position in this list
 * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
 */
public E get(int index) {
    // 检查是否越界
    rangeCheck(index);
    // 返回数组index位置的元素
    return elementData(index);
}
/**
 * Checks if the given index is in range.  If not, throws an appropriate
 * runtime exception.  This method does *not* check if the index is
 * negative: It is always used immediately prior to an array access,
 * which throws an ArrayIndexOutOfBoundsException if index is negative.
 * 检查给定的索引是否在集合有效元素数量范围内
 */
private void rangeCheck(int index) {
    if (index >= size)
        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
@SuppressWarnings("unchecked")
E elementData(int index) {
    return (E) elementData[index];
}

执行流程:


检查索引是否越界,这里只检查是否越上界,如果越上界抛出IndexOutOfBoundsException异常,如果越下界抛出的是ArrayIndexOutOfBoundsException异常。

返回索引位置处的元素;

remove(int index)删除指定索引位置的元素

删除指定索引位置的元素,时间复杂度为O(n)。

/**
 * Removes the element at the specified position in this list.
 * Shifts any subsequent elements to the left (subtracts one from their
 * indices).
 * 删除指定索引位置的元素,时间复杂度为O(n)。
 *  * @param index the index of the element to be removed
 * @return the element that was removed from the list
 * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
 */
public E remove(int index) {
    // 检查是否越界
    rangeCheck(index);
    // 集合底层数组结构修改次数+1
    modCount++;
    // 获取index位置的元素
    E oldValue = elementData(index);
    int numMoved = size - index - 1;
    // 如果index不是最后一位,则将index之后的元素往前挪一位
    if (numMoved > 0)
        // **进行了size-索引index-1次操作**
        System.arraycopy(elementData, index + 1, elementData, index,
                numMoved);
    // 将最后一个元素删除,帮助GC
    elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
    // 返回旧值
    return oldValue;
}

执行流程:


检查索引是否越界;

获取指定索引位置的元素;

如果删除的不是最后一位,则其它元素往前移一位;

将最后一位置为null,方便GC回收;

返回删除的元素。

注意:从源码中得出,ArrayList删除元素的时候并没有缩容。



remove(Object o)删除指定元素值的元素

删除指定元素值的元素,时间复杂度为O(n)。

/**
 * Removes the first occurrence of the specified element from this list,
 * if it is present.  If the list does not contain the element, it is
 * unchanged.  More formally, removes the element with the lowest index
 * <tt>i</tt> such that
 * <tt>(o==null&nbsp;?&nbsp;get(i)==null&nbsp;:&nbsp;o.equals(get(i)))</tt>
 * (if such an element exists).  Returns <tt>true</tt> if this list
 * contained the specified element (or equivalently, if this list
 * changed as a result of the call).
 * 删除指定元素值的元素,时间复杂度为O(n)。
 *  * @param o element to be removed from this list, if present
 *          要从此列表中删除的元素(如果存在的话)
 * @return <tt>true</tt> if this list contained the specified element
 */
public boolean remove(Object o) {
    if (o == null) {
        // 遍历整个数组,找到元素第一次出现的位置,并将其快速删除
        for (int index = 0; index < size; index++)
            // 如果要删除的元素为null,则以null进行比较,使用==
            if (elementData[index] == null) {
                fastRemove(index);
                return true;
            }
    } else {
        // 遍历整个数组,找到元素第一次出现的位置,并将其快速删除
        for (int index = 0; index < size; index++)
            // 如果要删除的元素不为null,则进行比较,使用equals()方法
            if (o.equals(elementData[index])) {
                fastRemove(index);
                return true;
            }
    }
    return false;
}
/*
 * Private remove method that skips bounds checking and does not
 * return the value removed.
 * 专用的remove方法,跳过边界检查,并且不返回删除的值。
 */
private void fastRemove(int index) {
    // 少了一个越界的检查
    modCount++;
    // 如果index不是最后一位,则将index之后的元素往前挪一位
    int numMoved = size - index - 1;
    if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index + 1, elementData, index,
                numMoved);
    // 将最后一个元素删除,帮助GC
    elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
}

执行流程:

  • 找到第一个等于指定元素值的元素;
  • 快速删除;
    fastRemove(int index)相对于remove(int index)少了检查索引越界的操作,可见jdk将性能优化到极致。

retainAll(Collection c)求两个集合的交集

/**
 * 求两个集合的交集
 * Retains only the elements in this list that are contained in the
 * specified collection.  In other words, removes from this list all
 * of its elements that are not contained in the specified collection.
 *  * @param c collection containing elements to be retained in this list
 * @return {@code true} if this list changed as a result of the call
 * @throws ClassCastException   if the class of an element of this list
 *                              is incompatible with the specified collection
 *                              (<a href="Collection.html#optional-restrictions">opti
 * @throws NullPointerException if this list contains a null element and the
 *                              specified collection does not permit null elements
 *                              (<a href="Collection.html#optional-restrictions">opti
 *                              or if the specified collection is null
 * @see Collection#contains(Object)
 */
public boolean retainAll(Collection<?> c) {
    // 集合c不能为null
    Objects.requireNonNull(c);
    // 调用批量删除方法,这时complement传入true,表示删除不包含在c中的元素
    return batchRemove(c, true);
}
/**
 * 批量删除元素
 * complement为true表示删除c中不包含的元素
 * complement为false表示删除c中包含的元素
 * @param c
 * @param complement
 * @return
 */
private boolean batchRemove(Collection<?> c, boolean complement) {
    final Object[] elementData = this.elementData;
    /**
     * 使用读写两个指针同时遍历数组
     * 读指针每次自增1,写指针放入元素的时候才加1
     * 这样不需要额外的空间,只需要在原有的数组上操作就可以了
     */
    int r = 0, w = 0;
    boolean modified = false;
    try {
        // 遍历整个数组,如果c中包含该元素,则把该元素放到写指针的位置(以complement为准)
        for (; r < size; r++)
            if (c.contains(elementData[r]) == complement)
                elementData[w++] = elementData[r];
    } finally {
        // 正常来说r最后是等于size的,除非c.contains()抛出了异常
        if (r != size) {
            // 如果c.contains()抛出了异常,则把未读的元素都拷贝到写指针之后
            System.arraycopy(elementData, r,
                    elementData, w,
                    size - r);
            w += size - r;
        }
        if (w != size) {
            // 将写指针之后的元素置为空,帮助GC
            for (int i = w; i < size; i++)
                elementData[i] = null;
            modCount += size - w;
            // 新大小等于写指针的位置(因为每写一次写指针就加1,所以新大小正好等于写指针的位置)
            size = w;
            modified = true;
        }
    }
    // 有修改返回true
    return modified;
}

执行流程:


遍历elementData数组;

如果元素在c中,则把这个元素添加到elementData数组的w位置并将w位置往后移一位;

遍历完之后,w之前的元素都是两者共有的,w之后(包含)的元素不是两者共有的;

将w之后(包含)的元素置为null,方便GC回收;

removeAll(Collection c)求两个集合的单方向差集

求两个集合的单方向差集,只保留当前集合中不在c中的元素,不保留在c中不在当前集体中的元素。

/**
 * Removes from this list all of its elements that are contained in the
 * specified collection.
 * 从此集合中删除指定的集合中包含的所有元素。
 * 
 * @param c collection containing elements to be removed from this list
 * @return {@code true} if this list changed as a result of the call
 * @throws ClassCastException   if the class of an element of this list
 *                              is incompatible with the specified collection
 *                              (<a href="Collection.html#optional-restrictions">optional</a>)
 * @throws NullPointerException if this list contains a null element and the
 *                              specified collection does not permit null elements
 *                              (<a href="Collection.html#optional-restrictions">optional</a>),
 *                              or if the specified collection is null
 * @see Collection#contains(Object)
 */
public boolean removeAll(Collection<?> c) {
    // 集合c不能为空
    Objects.requireNonNull(c);
    // 同样调用批量删除方法,这时complement传入false,表示删除包含在c中的元素
    return batchRemove(c, false);
}

与retainAll(Collection c)方法类似,只是这里保留的是不在c中的元素。



6.扩展知识

ArrayList所使用的toString()方法分析:

我们都知道ArrayList集合是可以直接使用toStrin()方法的,那么我们来挖一下ArrayList的toString方法如何实现的:

在ArrayList源码中并没有直接的toString()方法,我们需要到其父类AbstractList的父类AbstractCollection中寻找:

/**
 * Returns a string representation of this collection.  The string
 * representation consists of a list of the collection's elements in the
 * order they are returned by its iterator, enclosed in square brackets
 * (<tt>"[]"</tt>).  Adjacent elements are separated by the characters
 * <tt>", "</tt> (comma and space).  Elements are converted to strings as
 * by {@link String#valueOf(Object)}.
 *
 * @return a string representation of this collection
 */
public String toString() {
    Iterator<E> it = iterator();// 获取迭代器
    if (! it.hasNext())//如果为空直接返回
        return "[]";
    // StringBuilder进行字符串拼接
    StringBuilder sb = new StringBuilder();
    sb.append('[');
    for (;;) {// 无限循环 == while(true)
        E e = it.next();// 迭代器 next方法取元素,并将光标后移
        sb.append(e == this ? "(this Collection)" : e);// 三元判断
        if (! it.hasNext())
            return sb.append(']').toString();// 没有元素了,则拼接右括号
        sb.append(',').append(' ');// 还有元素存在
    }
}



<br>

### 7. **总结**

(1)ArrayList内部使用数组存储元素,当数组长度不够时进行扩容,每次加一半的空间,ArrayList不会进行缩容;

(2)ArrayList支持随机访问,通过索引访问元素极快,时间复杂度为O(1);

(3)ArrayList添加元素到尾部极快,平均时间复杂度为O(1);

(4)ArrayList添加元素到中间比较慢,因为要搬移元素,平均时间复杂度为O(n);

(5)ArrayList从尾部删除元素极快,时间复杂度为O(1);

(6)ArrayList从中间删除元素比较慢,因为要搬移元素,平均时间复杂度为O(n);

(7)ArrayList支持求并集,调用addAll(Collection c)方法即可;

(8)ArrayList支持求交集,调用retainAll(Collection c)方法即可;

(7)ArrayList支持求单向差集,调用removeAll(Collection c)方法即可;

<br>

>答疑问题:

**elementData设置成了transient,那ArrayList是怎么把元素序列化的呢**?
```java
/**
 * Save the state of the <tt>ArrayList</tt> instance to a stream (that
 * is, serialize it).
 * 将<tt> ArrayList </ tt>实例的状态保存到流中(即,对其进行序列化)
 *
 * @serialData The length of the array backing the <tt>ArrayList</tt>
 * instance is emitted (int), followed by all of its elements
 * (each an <tt>Object</tt>) in the proper order.
 */
private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
        throws java.io.IOException {
    // 防止序列化期间有修改
    int expectedModCount = modCount;
    // 写出非transient非static属性(会写出size属性)
    s.defaultWriteObject();
    // 写出元素个数
    s.writeInt(size);
    // 依次写出元素
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        s.writeObject(elementData[i]);
    }
    // 如果有修改,抛出异常
    if (modCount != expectedModCount) {
        throw new ConcurrentModificationException();
    }
}
/**
 * Reconstitute the <tt>ArrayList</tt> instance from a stream (that is,
 * deserialize it).
 * 从流中重构<tt> ArrayList </ tt>实例(即,反序列化)
 */
private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
        throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
    // 声明为空数组
    elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    // 读入非transient非static属性(会读取size属性)
    s.defaultReadObject();
    // 读入元素个数,没什么用,只是因为写出的时候写了size属性,读的时候也要按顺序来读
    s.readInt(); // ignored
    if (size > 0) {
        // 计算容量
        int capacity = calculateCapacity(elementData, size);
        SharedSecrets.getJavaOISAccess().checkArray(s, Object[].class, capacity);
        // 检查是否需要扩容
        ensureCapacityInternal(size);
        Object[] a = elementData;
        // 依次读取元素到数组中
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            a[i] = s.readObject();
        }
    }
}


查看writeObject()方法可知,先调用s.defaultWriteObject()方法,再把size写入到流中,再把元素一个一个的写入到流中。


一般地,只要实现了Serializable接口即可自动序列化,writeObject()和readObject()是为了自己控制序列化的方式,这两个方法必须声明为private,在java.io.ObjectStreamClass#getPrivateMethod()方法中通过反射获取到writeObject()这个方法。


在ArrayList的writeObject()方法中先调用了s.defaultWriteObject()方法,这个方法是写入非static非transient的属性,在ArrayList中也就是size属性。同样地,在readObject()方法中先调用了s.defaultReadObject()方法解析出了size属性。


elementData定义为transient的优势,自己根据size序列化真实的元素,而不是根据数组的长度序列化元素,减少了空间占用。


7.ArrayList相关面试题

7.1 ArrayList如何扩容?

第一次扩容10,以后每次都扩容原容量的1.5倍,扩容通过位运算右移动1位。


7.2 ArrayList 频繁扩容导致添加性能急剧下降,如何处理?

直接上代码:

@Test
public void test06() {
    // ArrayList 频繁扩容导致添加性能急剧下降,如何处理?
    // 案例如下:
    ArrayList arrayList = new ArrayList();
    long startTime = System.currentTimeMillis();
    // 添加100w条数据到集合中
    for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
        arrayList.add(i);
    }
    long endTime = System.currentTimeMillis();
    System.out.println("优化之前,添加100万条数据用时:" + (endTime - startTime));
    System.out.println("---------------下边是解决方案:------------------");
    ArrayList arrayList2 = new ArrayList(1000000);
    startTime = System.currentTimeMillis();
    // 添加100w条数据到集合中
    for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
        arrayList2.add(i);
    }
    endTime = System.currentTimeMillis();
    System.out.println("优化之后,添加100万条数据用时:" + (endTime - startTime));
}


输出结果:

优化之前,添加10万条数据用时:58
---------------下边是解决方案:------------------
优化之后,添加10万条数据用时:13

以看出,如果在大量数据需要添加到集合中的时候,提前定义ArrayList集合的初始容量,从而不用花费大量时间在自动扩容上


7.3 ArrayList插入或删除元素是否一定比LinkedList慢?

从二者底层数据结构上来说:


ArrayList是实现了基于动态数组的数据结构

LinkedList基于链表的数据结构。

效率对比:


首部插入:LinkedList首部插入数据很快,因为只需要修改插入元素前后节点的prev值和next值即可。ArrayList首部插入数据慢,因为数组复制的方式移位耗时多。

中间插入:LinkedList中间插入数据慢,因为遍历链表指针(二分查找)耗时多;ArrayList中间插入数据快,因为定位插入元素位置的速度快,移位操作的元素没那么多。

尾部插入:LinkedList尾部插入数据慢,因为遍历链表指针(二分查找)耗时多;ArrayList尾部插入数据快,为定位插入元素位置的速度快,插入后移位操作的数据量少;

总结:


在集合里面插入元素速度比对结果是:首部插入,LinkedList更快;中间和尾部插入,ArrayList更快;

在集合里面删除元素类似,首部删除,LinkedList更快;中间删除和尾部删除,ArrayList更快;

因此,数据量不大的集合,主要进行插入、删除操作,建议使用LinkedList;数据量大的集合,使用ArrayList就可以了,不仅查询速度快,并且插入和删除效率也相对较高。


7.4 ArrayList 是线程安全的吗?

答案肯定是否的,我们来看一个例子:

首先新建一个线程任务类:

/**
 * @Auther: csp1999
 * @Date: 2020/10/29/18:25
 * @Description: 线程任务类
 */
public class CollectionTask implements Runnable {
    // 共享集合
    private List<String> list;
    public CollectionTask(List<String> list){
        this.list = list;
    }
    @Override
    public void run() {
        try {
            Thread.sleep(50);
        }catch (InterruptedException e){
            e.printStackTrace();
        }
        // 把当前线程名字加入到集合中
        list.add(Thread.currentThread().getName());
    }
}

接下来进行测试:

/**
 * @Auther: csp1999
 * @Date: 2020/10/29/18:28
 * @Description: ArrayList 线程安全性测试类
 */
public class Test01 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 创建集合
        List<String> list = new ArrayList<>();
        // 创建线程任务
        CollectionTask collectionTask = new CollectionTask(list);
        // 开启50条线程
        for (int i = 0; i < 50; i++) {
            new Thread(collectionTask).start();
        }
        // 确保子线程执行完毕
        Thread.sleep(3000);
        /**
         * 如果ArrayList是线程安全的,则遍历集合可以得到50条数据,
         * 打印集合长度为50
         * 否则说明其不是线程安全的!
         */
        // 遍历集合
        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
            System.out.println(list.get(i));
        }
        System.out.println("-------------------------------------");
        System.out.println("集合长度:"+list.size());
    }
}

测试结果:

null
null
null
Thread-0
Thread-4
Thread-6
Thread-2
Thread-17
Thread-18
Thread-15
Thread-16
Thread-10
Thread-13
Thread-12
Thread-9
Thread-11
Thread-27
Thread-28
Thread-25
Thread-29
Thread-24
Thread-21
Thread-26
Thread-22
Thread-23
Thread-20
Thread-40
Thread-37
Thread-39
Thread-38
Thread-41
Thread-35
Thread-34
null
Thread-31
Thread-33
Thread-32
Thread-49
Thread-46
Thread-47
Thread-48
Thread-43
Thread-42
Thread-45
Thread-44
-------------------------------------
集合长度:45

Process finished with exit code 0


因此,得出结论,ArrayList并不是线程安全的集合!如果需要保证线程安全,建议使用Vector集合,其是线程安全的,但是相对于ArrayList来说,效率比较低。

Vector相对于ArrayList之所以是线程安全的,就在于其add()为集合添加元素的方法:

// 可以看出Vector的add方法加上了synchronized 同步关键字
public synchronized void addElement(E obj) {
        modCount++;
        ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
        elementData[elementCount++] = obj;
}


除了Vector集合外,还可以使用为如下方式

List<String> list = new ArrayList<>();
List<String> synchronizedList = Collections.synchronizedList(list);


这样得到的synchronizedList也是线程安全的!


注意:什么情况下不用给ArrayList加同步锁呢?


第一,在单线程情况下不需要加锁,为效率问题考虑!

第二,当ArrayList作为局部变量的时候不需要加锁,因为局部变量属于某一线程,而我们上述例子中是吧ArrayList作为成员变量来使用,成员变量的集合是需要被所有线程共享的,这是需要加锁!

7.5 如何复制某个ArrayList到另外一个ArrayList中去呢?你能列举几种?

使用clone()方法,因为ArrayList实现了Cloneable接口,可以被克隆

使用ArrayList构造方法,ArrayList(Collection c)

使用addAll(Collection c)方法

自己写循环去一个一个add()

7.6 ArrayList如何做到并发修改,而不出现并发修改异常?

问题:已知成员变量集合存储N多用户名称,在多线程的环境下,使用迭代器在读取集合数据的同时,如何保证还可以正常的写入数据到集合?

新建一个线程任务类:

/**
 * @Auther: csp1999
 * @Date: 2020/10/29/19:07
 * @Description: 线程任务类,使用ArrayList在多线程环境下,修改集合数据,
 * 且不出现并发修改异常
 */
public class CollectionThread implements Runnable{
    private static ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
    static {
        list.add("Jack");
        list.add("Amy");
        list.add("Lucy");
    }

    @Override
    public void run() {
        for (String value : list){
            System.out.println(value);
            // 在读取数据的同时又向集合写入数据
            list.add("Coco");// 会出现并发修改异常
        }
    }
}


测试在多线程条件下读取共享集合数据的同时向其写入:

/**
 * @Auther: csp1999
 * @Date: 2020/10/29/19:10
 * @Description: 面试问题:
 * 已知成员变量集合存储N多用户名称,在多线程的环境下,使用迭代器在读取集合数据的同时,
 * 如何保证还可以正常的写入数据到集合?
 */
public class Test03 {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建线程任务
        CollectionThread collectionThread = new CollectionThread();

        // 开启10条线程
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(collectionThread).start();
        }
    }
}


测试结果:

Jack
Jack
Jack
Jack
Jack
Jack
Jack
Jack
Jack
Jack
Exception in thread "Thread-0" Exception in thread "Thread-1" Exception in thread "Thread-4" Exception in thread "Thread-5" Exception in thread "Thread-8" java.util.ConcurrentModificationException
    at java.util.ArrayList$Itr.checkForComodification(ArrayList.java:909)
    at java.util.ArrayList$Itr.next(ArrayList.java:859)
    at com.haust.list.CollectionThread.run(CollectionThread.java:21)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
Exception in thread "Thread-9" java.util.ConcurrentModificationException
    at java.util.ArrayList$Itr.checkForComodification(ArrayList.java:909)
    at java.util.ArrayList$Itr.next(ArrayList.java:859)
    at com.haust.list.CollectionThread.run(CollectionThread.java:21)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
Exception in thread "Thread-2" java.util.ConcurrentModificationException
    at java.util.ArrayList$Itr.checkForComodification(ArrayList.java:909)
    at java.util.ArrayList$Itr.next(ArrayList.java:859)
    at com.haust.list.CollectionThread.run(CollectionThread.java:21)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
java.util.ConcurrentModificationException
    at java.util.ArrayList$Itr.checkForComodification(ArrayList.java:909)
    at java.util.ArrayList$Itr.next(ArrayList.java:859)
    at com.haust.list.CollectionThread.run(CollectionThread.java:21)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
java.util.ConcurrentModificationException
    at java.util.ArrayList$Itr.checkForComodification(ArrayList.java:909)
    at java.util.ArrayList$Itr.next(ArrayList.java:859)
    at com.haust.list.CollectionThread.run(CollectionThread.java:21)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
java.util.ConcurrentModificationException
    at java.util.ArrayList$Itr.checkForComodification(ArrayList.java:909)
    at java.util.ArrayList$Itr.next(ArrayList.java:859)
    at com.haust.list.CollectionThread.run(CollectionThread.java:21)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
java.util.ConcurrentModificationException
    at java.util.ArrayList$Itr.checkForComodification(ArrayList.java:909)
    at java.util.ArrayList$Itr.next(ArrayList.java:859)
    at com.haust.list.CollectionThread.run(CollectionThread.java:21)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
Exception in thread "Thread-7" Exception in thread "Thread-6" java.util.ConcurrentModificationException
    at java.util.ArrayList$Itr.checkForComodification(ArrayList.java:909)
    at java.util.ArrayList$Itr.next(ArrayList.java:859)
    at com.haust.list.CollectionThread.run(CollectionThread.java:21)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
Exception in thread "Thread-3" java.util.ConcurrentModificationException
    at java.util.ArrayList$Itr.checkForComodification(ArrayList.java:909)
    at java.util.ArrayList$Itr.next(ArrayList.java:859)
    at com.haust.list.CollectionThread.run(CollectionThread.java:21)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
java.util.ConcurrentModificationException
    at java.util.ArrayList$Itr.checkForComodification(ArrayList.java:909)
    at java.util.ArrayList$Itr.next(ArrayList.java:859)
    at com.haust.list.CollectionThread.run(CollectionThread.java:21)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)


出现并发修改异常,为解决此问题呢,java引入了一个可以保证读和写都是线程安全的集合(读写分离集合):CopyOnWriteArrayList

所以解决方案就是:

    ...
    // private static ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
    // 使用读写分离集合替换掉原来的ArrayList
    private static CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<String>();
    static {
        list.add("Jack");
        list.add("Amy");
        list.add("Lucy");
    }
    @Override
    public void run() {
        for (String value : list){
            System.out.println(value);
            // 在读取数据的同时又向集合写入数据
            list.add("Coco");// 会出现并发修改异常
        }
    }


成功解决并发修改异常!


7.7 ArrayList和LinkedList 的区别?

ArrayList

基于动态数组的数据结构

对于随机访问的get和set,其效率优于LinkedList

对于随机操作的add和remove,ArrayList不一定比LinkedList慢(ArrayList底层由于是动态数组,因此并不是每一次add和remove都需要创建新数组)

LinkedList

基于链表的数据结构

对于顺序操作,LinkedList 不一定比ArrayList慢

对于随机操作,LinkedList 效率明显低于LinkedList


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我是路飞,一个双非本科出身的Java程序员,22届校招收获阿里、美团、哔哩哔哩意向书,目前是阿里大家庭中的一名全栈开发工程师。我的博客地址(CSDN 10万粉丝博主、博客专家):csp1999.blog.csdn.net
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