ArrayList 和 LinkedList 的底层源码分析

欧阳大帅哥2024-05-22 12:21

这里写目录标题

ArrayList的底层原码：

研究思路：

1.研究继承关系

2.研究属性

3.理解创建集合的过程 -- 构造方法的底层原理

4.研究添加元素的过程

场景：

java 复制代码 
public static void main(String[] args) {
		
		//ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
		ArrayList<String> list = new ArrayList<>(10000);
		
		list.add("aaa");
		list.add("bbb");
		list.add("ccc");
		list.add("ddd");
		
	}

1.研究继承关系

java 复制代码 
public abstract class AbstractList<E> extends AbstractCollection<E> implements List<E> {
    
    //外部操作数（记录添加和删除的次数）
    protected transient int modCount = 0;//4
}

2.研究属性

java 复制代码 
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>{
    //默认初始化容量
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
    //空内容的数组
    private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
    //默认容量的空内容的数组
	private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
    //数据容器最大容量
    private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
    
    //数据容器 - ["aaa","bbb","ccc","ddd",null,null,null,null,null,null]
    transient Object[] elementData;//new Object[10];
    //元素个数
    private int size;//4
}

3.理解创建集合的过程 -- 构造方法的底层原理

java 复制代码 
 	//无参构造
    public ArrayList() {
            this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
        }
    
	//有参构造
    //initialCapacity - 10000
    public ArrayList(int initialCapacity) {
        if (initialCapacity > 0) {
            this.elementData = new Object[initialCapacity];
        } else if (initialCapacity == 0) {
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        } else {
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+ initialCapacity);
        }
    }

4.研究添加元素的过程

java 复制代码 
 //e - "ddd"
    public boolean add(E e) {
        ensureCapacityInternal(size + 1);
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }
    
    //minCapacity - 11
    private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        //使用无参构造创建ArrayList，第一次添加元素时进入的判断
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
            //minCapacity =  Math.max(10, 1);
            minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }

        ensureExplicitCapacity(minCapacity);
    }
    
    //minCapacity - 11
    private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        modCount++;

        // 有溢出意识的代码（准备扩容的长度必须大于数据容器的长度）
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
    }
    
    //minCapacity - 11
    private void grow(int minCapacity) {
        // oldCapacity - 10
        int oldCapacity = elementData.length;
        // newCapacity - 15
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);//ArrayList的扩容机制（1.5倍）
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            newCapacity = minCapacity;
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
        
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }
    
    private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
        if (minCapacity < 0) // overflow
            throw new OutOfMemoryError();
        return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
            Integer.MAX_VALUE :
            MAX_ARRAY_SIZE;
    }

5. ArrayList分析的总代码

java 复制代码 
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>{
    //默认初始化容量
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
    //空内容的数组
    private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
    //默认容量的空内容的数组
	private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
    //数据容器最大容量
    private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
    
    //数据容器 - ["aaa","bbb","ccc","ddd",null,null,null,null,null,null]
    transient Object[] elementData;//new Object[10];
    //元素个数
    private int size;//4
    
    public ArrayList() {
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
    
    //initialCapacity - 10000
    public ArrayList(int initialCapacity) {
        if (initialCapacity > 0) {
            this.elementData = new Object[initialCapacity];
        } else if (initialCapacity == 0) {
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        } else {
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+ initialCapacity);
        }
    }
    
    //e - "ddd"
    public boolean add(E e) {
        ensureCapacityInternal(size + 1);
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }
    
    //minCapacity - 11
    private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        //使用无参构造创建ArrayList，第一次添加元素时进入的判断
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
            //minCapacity =  Math.max(10, 1);
            minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }

        ensureExplicitCapacity(minCapacity);
    }
    
    //minCapacity - 11
    private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        modCount++;

        // 有溢出意识的代码（准备扩容的长度必须大于数据容器的长度）
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
    }
    
    //minCapacity - 11
    private void grow(int minCapacity) {
        // oldCapacity - 10
        int oldCapacity = elementData.length;
        // newCapacity - 15
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);//ArrayList的扩容机制（1.5倍）
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            newCapacity = minCapacity;
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
        
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }
    
    private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
        if (minCapacity < 0) // overflow
            throw new OutOfMemoryError();
        return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
            Integer.MAX_VALUE :
            MAX_ARRAY_SIZE;
    }
    
}

6.深究

1.研究删除集合的过程

2.研究遍历集合的过程

7.面试题

1.如何减少集合的伸缩性及其目的是什么？

​ 根据需求判断元素大概的长度，在创建集合时指定长度，减少扩容次数，提高效率 （eg：ArrayList的有参构造）
2. ArrayList默认初始化容量是多少？

​ 10
3. ArrayList最大容量是多少？

​ Integer.MAX_VALUE-8
4. ArrayList最大容量为什么是Integer.MAX_VALUE-8？

​ 减8是为了腾出空间存放数组的头部信息。
5. ArrayList扩容机制是什么？

​ 扩容后的长度是原来长度的1.5倍。

LinkedList的底层原码：

研究思路：

1.研究继承关系

2.研究属性

3.理解创建集合的过程 -- 构造方法的底层原理

4.研究添加元素的过程

场景：

java 复制代码 
public static void main(String[] args) {
		
		LinkedList<String> list = new LinkedList<>();
		
		list.add("aaa");
		list.add("bbb");
		list.add("ccc");
		
	}
}

1.研究继承关系

java 复制代码 
public abstract class AbstractList<E> extends AbstractCollection<E> implements List<E> {
    //外部操作数（记录添加和删除的次数）
    protected transient int modCount = 0;//0
}




public abstract class AbstractSequentialList<E> extends AbstractList<E> {
}

2.研究属性

java 复制代码 
	//元素个数
    transient int size = 0;//0
    //首节点
    transient Node<E> first;//null
	//尾节点
    transient Node<E> last;//null

	//节点类
    private static class Node<E> {
        E item; ------------ 元素
        Node<E> next; ------ 下一个节点的地址
        Node<E> prev; ------ 上一个节点的地址

        Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
            this.item = element;
            this.next = next;
            this.prev = prev;
        }
    }

3.理解创建集合的过程 -- 构造方法的底层原理

java 复制代码 
 public LinkedList() {
    }

4.研究添加元素的过程

java 复制代码 
  public boolean add(E e) {
        linkLast(e);
        return true;
    }
    
    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++;
    }

5. LinkedList分析的总代码

java 复制代码 
public class LinkedList<E> extends AbstractSequentialList<E> implements List<E>{
    //元素个数
    transient int size = 0;//0
    //首节点
    transient Node<E> first;//null
	//尾节点
    transient Node<E> last;//null
    
    public LinkedList() {
    }
    
    public boolean add(E e) {
        linkLast(e);
        return true;
    }
    
    void linkLast(E e) {//构成双向链表
        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++;
    }
    
    //节点类
    private static class Node<E> {
        E item; ------------ 元素
        Node<E> next; ------ 下一个节点的地址
        Node<E> prev; ------ 上一个节点的地址

        Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
            this.item = element;
            this.next = next;
            this.prev = prev;
        }
    }
    
}

6.深究

1.研究删除集合的过程

2.研究遍历集合的过程

7.面试题

LinkedList底层数据结构是什么？

双向链表
ArrayList 和 LinkedList的效率区别：

​ ArrayList底层：一维数组

​ LinkedList底层：双向链表

​ 添加数据 -- ArrayList扩容的情况：LinkedList快

​ 添加数据 -- ArrayList不扩容的情况：ArrayList快

​ 查询数据：ArrayList快

​ 删除数据：LinkedList快

​ 修改数据：ArrayList快

补充：平时我们一般使用ArrayList，是因为众多业务中查询功能使用最为频繁，而ArrayList查询功能比LinkedList更快，所以我们选择使用ArrayList会更多。
LinkedList如何实现删除？

​ 1.通过下标找到要删除的节点

​ 2.把要删除的节点的下一个节点地址赋值给上一个节点的next

​ 3.把要删除的节点的上一个节点地址赋值给下一个节点的prev

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