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JDK源代码学习-ArrayList、LinkedList、HashMap

2019-06-26来源:大红鹰娱乐线上娱乐

  ArrayList、LinkedList、HashMap是Java开发中非常常见的数据类型。它们的区别也非常明显的,在Java中也非常具有代表性。在Java中,常见的数据结构是:数组、链表,其他数据结构基本就是这两者的组合。

  复习一下数组、链表的特征。

  数组:在内存中连续的地址块,查找按照下标来寻址,查找快速。但是插入元素和删除元素慢,需要移动元素。

  链表:内存中逻辑上可以连接到一起的一组节点。每个节点除了存储本身,还存储了下一个元素的地址。查找元素需要依次找找各个元素,查找慢,插入和删除元素只需要修改元素指向即可。

结合这两种数据结构的特征,就不难理解ArrayList、LinkedList、HashMap的各种操作了。

ArrayList

数组

ArrayList的底层实现就是数组,根据数组的特征就很好理解ArrayList的各个特性了。

下面是ArrayList中最基本的两个变量:存储对象的数组和数组大小。

/** * 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. */ transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access /** * The size of the ArrayList (the number of elements it contains). * * @serial */ private int size;

在执行add操作前,会首先检查数组大小是否足以容纳新的元素,如果不够,就进行扩容,扩容的公式是:新的数组大小=(老的数组大小*3)/2 + 1,例如初始时数组大小为10,第一次扩容后,数组大小就为16,再扩容一次变为25。

Fail-Fast 机制

在操作元素的方法中,例如add方法和remove方法中,会看到modCount++操作。这个modCount变量是记录什么的?

查看modCount的定义,modCount是在AbstractList中定义的,其说明如下:

/** * The number of times this list has been <i>structurally modified</i>. * Structural modifications are those that change the size of the * list, or otherwise perturb it in such a fashion that iterations in * progress may yield incorrect results. * * <p>This field is used by the iterator and list iterator implementation * returned by the {@code iterator} and {@code listIterator} methods. * If the value of this field changes unexpectedly, the iterator (or list * iterator) will throw a {@code ConcurrentModificationException} in * response to the {@code next}, {@code remove}, {@code previous}, * {@code set} or {@code add} operations. This provides * <i>fail-fast</i> behavior, rather than non-deterministic behavior in * the face of concurrent modification during iteration. * * <p><b>Use of this field by subclasses is optional.</b> If a subclass * wishes to provide fail-fast iterators (and list iterators), then it * merely has to increment this field in its {@code add(int, E)} and * {@code remove(int)} methods (and any other methods that it overrides * that result in structural modifications to the list). A single call to * {@code add(int, E)} or {@code remove(int)} must add no more than * one to this field, or the iterators (and list iterators) will throw * bogus {@code ConcurrentModificationExceptions}. If an implementation * does not wish to provide fail-fast iterators, this field may be * ignored. */ protected transient int modCount = 0;

 modCount记录是List的结构变化次数,就是List大小变化的次数,如果在遍历List的时候,发现modCount发生变化,则抛出异常ConcurrentModificationException。

例如下面的代码,定义了一个Array List,向其中增加元素,然后遍历元素,在遍历元素过程中,删除了一个元素。

public class ArrayListRemoveTest { public static void main(String[] args) { List<String> lstString = new ArrayList<String>(); lstString.add("hello"); Iterator<String> iterator = lstString.iterator(); while (iterator.hasNext()) { String item = iterator.next(); if (item.equals("hello")) { lstString.remove(item); } } }}

 运行后会抛出异常:

根据报错堆栈,next方法会调用checkForComodification方法,在checkForComodification方法中抛出异常。

final void checkForComodification() { if (modCount != expectedModCount) throw new ConcurrentModificationException(); }

代码中会比较当前的modCount和expectedModCount的值,expectedModCount的值是在执行Iterator<String> iterator = lstString.iterator();时,在Itr的构造函数中赋值的,是原始的List结构变化次数。在执行remove方法后,List的大小发生了变化,则modCount发生了变化,两次modCount不同,抛出异常。做这个检查的原因,是要保持单线程的唯一操作。这就是Fail-Fast机制。

LinkedList

链表

LinkedList的底层实现就是链表,插入和删除只需要改变节点指向,效率高。随机访问需要依次找到各个节点,慢。

LinkedList在类中包含了 first 和 last 两个指针(Node)。Node 中包含了上一个节点和下一个节点的引用,这样就构成了双向的链表。

transient int size = 0; transient Node<E> first; //链表的头指针 transient Node<E> last; //尾指针 //存储对象的结构 Node, LinkedList的内部类 private static class Node<E> { E item; Node<E> next; // 指向下一个节点 Node<E> prev; //指向上一个节点 Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) { this.item = element; this.next = next; this.prev = prev; } }

在新增节点时,只需要创建一个Node,指向这个Node即可。删除节点,修改上一个节点的prev指向即可。

HashMap

数组+链表

  HashMap是Java数据结构中两大结构数组和链表的组合。其结构图如下:

 可以看出,HashMap底层是数组,数组中的每一项又是一个链表。

  当程序试图将一个key-value对放入HashMap中时,程序首先根据该 key 的 hashCode() 返回值决定该 Entry 在数组中的存储位置,即数组下标。如果数组该位置上没有元素,就直接将该元素放到此数组中的该位置上。如果两个 Entry 的 key 的 hashCode() 返回值相同,那它们的存储位置相同(即碰撞)。再调用equals,如果这两个 Entry 的 key 通过 equals 比较返回 true,新添加 Entry 的 value 将覆盖集合中原有 Entry 的 value,但key不会覆盖,就是value替换。如果这两个 Entry 的 key 通过 equals 比较返回 false,新添加的 Entry 将与集合中原有 Entry 形成 Entry 链,而且新添加的 Entry 位于 Entry 链的头部。

  简单地说,HashMap 在底层将 key-value 当成一个整体进行处理,这个整体就是一个 Entry 对象。HashMap 底层采用一个 Entry[] 数组来保存所有的 key-value 对,当需要存储一个 Entry 对象时,会根据 hash 算法来决定其在数组中的存储位置,再根据 equals 方法决定其在该数组位置上的链表中的存储位置;当需要取出一个Entry 时,也会根据 hash 算法找到其在数组中的存储位置,再根据 equals 方法从该位置上的链表中取出该Entry。