ArrayList和LinkedList学习

摘要

ArrayList和LinkedList是对List接口的不同数据结构的实现。它们都是线程不安全的，线程不安全往往出现在数组的扩容、数据添加的时候。

一、ArrayList和LinkedList是什么？

ArrayList：ArrayList是List接口的可变数组的实现。

LinkedList：LinkedList是List接口的（双向）链表实现。

二、两个List的数据结构

1、ArrayList的数据结构

ArrayList的类继承图如下：

（1-1：ArrayList的类继承图）

存储

ArrayList使用数组（elememntData）存储数据，默认构造方法创建ArrayList时，会初始化一个空数组。

扩容

ArrayList使用数组存储数据，因此在添加数据的时候需要做容量检查，如果容量不足则需要进行扩容。

其新容量大小公式为：新容量=旧容量+旧容量/2

扩容过程请看下面源码：

public boolean add(E e) {
    // 容量检查
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

// 计算数组需要的最小容量
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }

    ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}

// 判断是否需要扩容，如果需要则扩容
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    // modCount表示List结构修改的次数，快速失败机制会用到，快速失败机制在后面会详细说明。
    modCount++;

    // overflow-conscious code
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);
}

private void grow(int minCapacity) {
    // overflow-conscious code
    int oldCapacity = elementData.length;
    // 新容量=旧容量+旧容量/2
    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);
}

（1-2：ArrayList数组扩容源码）

2、LinkedList的数据结构

LinkedList的类继承图如下：

（2-1：LinkedList的类继承图）

存储

LinkedList使用双向链表来存储数据。其中链表结点定义如下：

private static class Node<E> {
    E item;
    Node<E> next;
    Node<E> prev;

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

（2-2：LinkedList的存储结点定义）

添加/删除元素操作

LinkedList添加删除元素，实际上就是对链表进行结点添加/删除，下面给出实现细节，以供后面的线程安全讨论使用（注意modCount发生了变化）。

// 添加元素
public boolean add(E e) {
    // 往链表末尾添加元素
    linkLast(e);
    return true;
}
// 添加结点
void linkLast(E e) {
    final Node<E> l = last;
    final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
    // 新结点作为尾结点
    last = newNode;
    if (l == null)
        first = newNode;
    else
        l.next = newNode; // 连接结点
    size++;
    modCount++;
}

// 删除元素（删除第一个匹配的元素）
public boolean remove(Object o) {
    if (o == null) {
        for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
            if (x.item == null) {
                unlink(x);
                return true;
            }
        }
    } else {
        for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
            if (o.equals(x.item)) {
                unlink(x);
                return true;
            }
        }
    }
    return false;
}
// 删除结点
E unlink(Node<E> x) {
    // assert x != null;
    final E element = x.item;
    final Node<E> next = x.next;
    final Node<E> prev = x.prev;

    if (prev == null) {
        first = next;
    } else {
        prev.next = next;
        x.prev = null;
    }

    if (next == null) {
        last = prev;
    } else {
        next.prev = prev;
        x.next = null;
    }

    x.item = null;
    size--;
    modCount++;
    return element;
}

（2-3：LinkedList添加/删除结点关键代码）

三、线程安全讨论

首先确认一点的是，ArrayList和LinkedList均是线程不安全的，下面将分析多线程情况下会出现的一些问题。

1、快速失败（fail-fast）

快速失败，指的是使用遍历器对List进行遍历时，如果在遍历过程中，对List进行了修改，则会触发快速失败机制，抛出java.util.ConcurrentModificationException异常。

快速失败触发机制

前文谈到modCount的作用用于记录List的修改次数，在遍历器进行遍历时，代码正是通过这个值触发快速失败的。

相关核心代码如下：

int expectedModCount = modCount;

public E next() {
    checkForComodification();
    try {
        int i = cursor;
        E next = get(i);
        lastRet = i;
        cursor = i + 1;
        return next;
    } catch (IndexOutOfBoundsException e) {
        checkForComodification();
        throw new NoSuchElementException();
    }
}

// 检查修改次数，该方法在类中多次会被调用
final void checkForComodification() {
    if (modCount != expectedModCount)
        throw new ConcurrentModificationException();
}

（1-1：java.util.AbstractList内部类Itr代码片段）

2、ArrayList添加元素时的数组越界问题

添加元素时的数组越界问题发生在扩容判断上，当当前数组容量还差一个元素达到数组扩容的临界值时。并发插入元素时对数组大小的判断均是无需扩容，但是当前数组实际上仅有一个空闲位置，因此数组越界异常就发生了。

3、添加元素被覆盖

这种异常出现情况如下面代码注释所示：

多个线程对数组同一个位置进行赋值，导致元素被覆盖。

elementData[size++] = e;
// elementData[size] = e;  --- thread1
// elementData[size] = e;  --- thread2
// size++; --- thread1
// size++; --- thread2

（3-1：ArrayList添加元素被覆盖）

类似的分析，LinkedList添加元素时也会出现这种情况。

4、线程安全的List

同步方法

全部使用同步方法，如：Vector、Collections.synchronizedList(list)

其它加锁

其它加锁实现线程安全，如：ConcurrentLinkedDeque（自旋+CAS）、CopyOnWriteArrayList（读写锁）

参考资料

• JAVA学习-ArrayList详解
• JAVA学习-LinkedList详解
• Java的快速失败和安全失败
• ArrayList线程不安全的表现
• 聊聊并发-Java中的Copy-On-Write容器