java集合框架02——Collection架构与源码分析

墨蓝 2022-03-30 09:08 170阅读 0赞

Collection是一个接口，它主要的两个分支是List和Set。如下图所示：

**![Center][]**

List和Set都是接口，它们继承与Collection。**List是有序的队列，可以用重复的元素；而Set是数学概念中的集合，不能有重复的元素。**List和Set都有它们各自的实现类。

为了方便，我们抽象出AbstractCollection类来让其他类继承，该类实现类Collection中的绝大部分方法。AbstractList和AbstractSet都继承与AbstractCollection，具体的List实现类继承与AbstractList，而Set的实现类则继承与AbstractSet。

另外，Collection中有个iterator()方法，它的作用是返回一个Iterator接口。通常，我们通过Iterator迭代器来遍历集合。ListIterator是List接口所特有的，在List接口中，通过ListIterator()返回一个ListIterator对象。

我们首先来阅读下这些 接口和抽象类以及他们的实现类中都有哪些方法：

# **1. Collection** #

Collection的定义如下：

public interface Collection<E> extends Iterable<E> {}

从它的定义中可以看出，Collection是一个接口。它是一个高度抽象出来的集合，包含了集合的基本操作：添加、删除、清空、遍历、是否为空、获取大小等。

Collection接口的所有子类（直接子类和简介子类）都必须实现2种构造函数：不带参数的构造函数和参数为Collection的构造函数。带参数的构造函数可以用来转换Collection的类型。下面是Collection接口中定义的API：

# **2. List** #

List的定义如下：

public interface List<E> extends Collection<E> {}

从List定义中可以看出，它继承与Collection接口，即List是集合的一种。List是有序的队列，List中的每一个元素都有一个索引，第一个元素的索引值为0，往后的元素的索引值依次+1.，List中允许有重复的元素。

List继承Collection自然包含了Collection的所有接口，由于List是有序队列，所以它也有自己额外的API接口。API如下：

// Collection的API  
    abstract boolean         add(E object)  
    abstract boolean         addAll(Collection<? extends E> collection)  
    abstract void            clear()  
    abstract boolean         contains(Object object)  
    abstract boolean         containsAll(Collection<?> collection)  
    abstract boolean         equals(Object object)  
    abstract int             hashCode()  
    abstract boolean         isEmpty()  
    abstract Iterator<E>     iterator()  
    abstract boolean         remove(Object object)  
    abstract boolean         removeAll(Collection<?> collection)  
    abstract boolean         retainAll(Collection<?> collection)  
    abstract int             size()  
    abstract <T> T[]         toArray(T[] array)  
    abstract Object[]        toArray()  
    // 相比与Collection，List新增的API：  
    abstract void                add(int location, E object) //在指定位置添加元素  
    abstract boolean             addAll(int location, Collection<? extends E> collection) //在指定位置添加其他集合中的元素  
    abstract E                   get(int location) //获取指定位置的元素  
    abstract int                 indexOf(Object object) //获得指定元素的索引  
    abstract int                 lastIndexOf(Object object) //从右边的索引  
    abstract ListIterator<E>     listIterator(int location) //获得iterator  
    abstract ListIterator<E>     listIterator()  
    abstract E                   remove(int location) //删除指定位置的元素  
    abstract E                   set(int location, E object) //修改指定位置的元素  
    abstract List<E>             subList(int start, int end) //获取子list

# 3. Set #

Set的定义如下：

public interface Set<E> extends Collection<E> {}

Set也继承与Collection接口，且里面不能有重复元素。关于API，Set与Collection的API完全一样，不在赘述。

# 4. AbstractCollection #

public abstract class AbstractCollection<E> implements Collection<E> {}

AbstractCollection是一个抽象类，它实现了Collection中除了iterator()和size()之外的所有方法。AbstractCollection的主要作用是方便其他类实现Collection.，比如ArrayList、LinkedList等。它们想要实现Collection接口，通过集成AbstractCollection就已经实现大部分方法了，再实现一下iterator()和size()即可。

下面看一下AbstractCollection实现的部分方法的源码：

public abstract class AbstractCollection<E> implements Collection<E> {  
        protected AbstractCollection() {  
        }  
      
        public abstract Iterator<E> iterator();//iterator()方法没有实现  
      
        public abstract int size(); //size()方法也没有实现  
      
        public boolean isEmpty() { //检测集合是否为空  
            return size() == 0;  
        }  
        /*检查集合中是否包含特定对象*/  
        public boolean contains(Object o) {   
            Iterator<E> it = iterator();  
            if (o==null) {  
                while (it.hasNext()) //从这里可以看出，任何非空集合都包含null  
                    if (it.next()==null)  
                        return true;  
            } else {  
                while (it.hasNext())  
                    if (o.equals(it.next()))  
                        return true;  
            }  
            return false;  
        }  
        /*将集合转变成数组*/  
        public Object[] toArray() {  
            // Estimate size of array; be prepared to see more or fewer elements  
            Object[] r = new Object[size()]; //创建与集合大小相同的数组  
            Iterator<E> it = iterator();  
            for (int i = 0; i < r.length; i++) {  
                if (! it.hasNext()) // fewer elements than expected  
                    //Arrays.copy(**,**)的第二个参数是待copy的长度，如果这个长度大于r，则保留r的长度  
                    return Arrays.copyOf(r, i);  
                r[i] = it.next();  
            }  
            return it.hasNext() ? finishToArray(r, it) : r;  
        }  
      
        public <T> T[] toArray(T[] a) {  
            // Estimate size of array; be prepared to see more or fewer elements  
            int size = size();  
            T[] r = a.length >= size ? a :  
                      (T[])java.lang.reflect.Array  
                      .newInstance(a.getClass().getComponentType(), size);  
            Iterator<E> it = iterator();  
      
            for (int i = 0; i < r.length; i++) {  
                if (! it.hasNext()) { // fewer elements than expected  
                    if (a == r) {  
                        r[i] = null; // null-terminate  
                    } else if (a.length < i) {  
                        return Arrays.copyOf(r, i);  
                    } else {  
                        System.arraycopy(r, 0, a, 0, i);  
                        if (a.length > i) {  
                            a[i] = null;  
                        }  
                    }  
                    return a;  
                }  
                r[i] = (T)it.next();  
            }  
            // more elements than expected  
            return it.hasNext() ? finishToArray(r, it) : r;  
        }  
      
        private static <T> T[] finishToArray(T[] r, Iterator<?> it) {  
            int i = r.length;  
            while (it.hasNext()) {  
                int cap = r.length;  
                if (i == cap) {  
                    int newCap = cap + (cap >> 1) + 1;  
                    // overflow-conscious code  
                    if (newCap - MAX_ARRAY_SIZE > 0)  
                        newCap = hugeCapacity(cap + 1);  
                    r = Arrays.copyOf(r, newCap);  
                }  
                r[i++] = (T)it.next();  
            }  
            // trim if overallocated  
            return (i == r.length) ? r : Arrays.copyOf(r, i);  
        }  
          
        private static int hugeCapacity(int minCapacity) {  
            if (minCapacity < 0) // overflow  
                throw new OutOfMemoryError  
                    ("Required array size too large");  
            return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?  
                Integer.MAX_VALUE :  
                MAX_ARRAY_SIZE;  
        }  
      
        // 删除对象o  
        public boolean remove(Object o) {  
            Iterator<E> it = iterator();  
            if (o==null) {  
                while (it.hasNext()) {  
                    if (it.next()==null) {  
                        it.remove();  
                        return true;  
                    }  
                }  
            } else {  
                while (it.hasNext()) {  
                    if (o.equals(it.next())) {  
                        it.remove();  
                        return true;  
                    }  
                }  
            }  
            return false;  
        }  
       <pre name="code" class="java">    // 判断是否包含集合c中所有元素  
        public boolean containsAll(Collection<?> c) {  
            for (Object e : c)  
                if (!contains(e))  
                    return false;  
            return true;  
        }  
      
        //添加集合c中所有元素  
        public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {  
            boolean modified = false;  
            for (E e : c)  
                if (add(e))  
                    modified = true;  
            return modified;  
        }  
      
        //删除集合c中所有元素（如果存在的话）  
        public boolean removeAll(Collection<?> c) {  
            boolean modified = false;  
            Iterator<?> it = iterator();  
            while (it.hasNext()) {  
                if (c.contains(it.next())) {  
                    it.remove();  
                    modified = true;  
                }  
            }  
            return modified;  
        }  
      
        //清空  
        public void clear() {  
            Iterator<E> it = iterator();  
            while (it.hasNext()) {  
                it.next();  
                it.remove();  
            }  
        }  
      
        //将集合元素显示成[String]  
        public String toString() {  
            Iterator<E> it = iterator();  
            if (! it.hasNext())  
                return "[]";  
      
            StringBuilder sb = new StringBuilder();  
            sb.append('[');  
            for (;;) {  
                E e = it.next();  
                sb.append(e == this ? "(this Collection)" : e);  
                if (! it.hasNext())  
                    return sb.append(']').toString();  
                sb.append(',').append(' ');  
            }  
        }  
      
    }

# **5. AbstractList** #

AbstractList的定义如下：

public abstract class AbstractList<E> extends AbstractCollection<E> implements List<E> {}

从定义中可以看出，AbstractList是一个继承AbstractCollection，并且实现了List接口的抽象类。它实现了List中除了size()、get(int location)之外的方法。

AbstractList的主要作用：它实现了List接口中的大部分函数，从而方便其它类继承List。另外，和AbstractCollection相比，AbstractList抽象类中，实现了iterator()方法。

AbstractList抽象类的源码如下：

![ContractedBlock.gif][] ![ExpandedBlockStart.gif][]

public abstract class AbstractList<E> extends AbstractCollection<E> implements List<E> {  
          
        protected AbstractList() {  
        }  
      
        public boolean add(E e) {  
            add(size(), e);  
            return true;  
        }  
      
        abstract public E get(int index);  
          
        public E set(int index, E element) {  
            throw new UnsupportedOperationException();  
        }  
      
        public void add(int index, E element) {  
            throw new UnsupportedOperationException();  
        }  
      
        public E remove(int index) {  
            throw new UnsupportedOperationException();  
        }  
      
    /***************************** Search Operations**********************************/  
        public int indexOf(Object o) { //搜索对象o的索引  
            ListIterator<E> it = listIterator();  
            if (o==null) {  
                while (it.hasNext())  
                    if (it.next()==null) //执行it.next()，会先返回it指向位置的值，然后it会移到下一个位置  
                        return it.previousIndex(); //所以要返回it.previousIndex(); 关于it几个方法的源码在下面  
            } else {  
                while (it.hasNext())  
                    if (o.equals(it.next()))  
                        return it.previousIndex();  
            }  
            return -1;  
        }  
      
        public int lastIndexOf(Object o) {  
            ListIterator<E> it = listIterator(size());  
            if (o==null) {  
                while (it.hasPrevious())  
                    if (it.previous()==null)  
                        return it.nextIndex();  
            } else {  
                while (it.hasPrevious())  
                    if (o.equals(it.previous()))  
                        return it.nextIndex();  
            }  
            return -1;  
        }  
    /**********************************************************************************/  
      
    /****************************** Bulk Operations ***********************************/  
        public void clear() {  
            removeRange(0, size());  
        }  
      
        public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {  
            rangeCheckForAdd(index);  
            boolean modified = false;  
            for (E e : c) {  
                add(index++, e);  
                modified = true;  
            }  
            return modified;  
        }  
      
        protected void removeRange(int fromIndex, int toIndex) {  
            ListIterator<E> it = listIterator(fromIndex);  
            for (int i=0, n=toIndex-fromIndex; i<n; i++) {  
                it.next();  
                it.remove();  
            }  
        }  
    /**********************************************************************************/  
      
    /********************************* Iterators **************************************/  
        public Iterator<E> iterator() {  
            return new Itr();  
        }  
      
        public ListIterator<E> listIterator() {  
            return listIterator(0); //返回的iterator索引从0开始  
        }  
      
        public ListIterator<E> listIterator(final int index) {  
            rangeCheckForAdd(index); //首先检查index范围是否正确  
      
            return new ListItr(index); //ListItr继承与Itr且实现了ListIterator接口，Itr实现了Iterator接口，往下看  
        }  
      
        private class Itr implements Iterator<E> {          
            int cursor = 0; //元素的索引，当调用next()方法时，返回当前索引的值  
            int lastRet = -1; //lastRet也是元素的索引，但如果删掉此元素，该值置为-1  
             /* 
             *迭代器都有个modCount值，在使用迭代器的时候，如果使用remove,add等方法的时候都会修改modCount， 
             *在迭代的时候需要保持单线程的唯一操作，如果期间进行了插入或者删除，modCount就会被修改，迭代器就会检测到被并发修改，从而出现运行时异常。 
             *举个简单的例子，现在某个线程正在遍历一个List，另一个线程对List中的某个值做了删除，那原来的线程用原来的迭代器当然无法正常遍历了 
             */  
            int expectedModCount = modCount;  
      
            public boolean hasNext() {  
                return cursor != size(); //当索引值和元素个数相同时表示没有下一个元素了，索引是从0到size-1  
            }  
      
            public E next() {  
                checkForComodification(); //检查modCount是否改变  
                try {  
                    int i = cursor; //next()方法主要做了两件事：  
                    E next = get(i);   
                    lastRet = i;  
                    cursor = i + 1; //1.将索引指向了下一个位置  
                    return next; //2. 返回当前索引的值  
                } catch (IndexOutOfBoundsException e) {  
                    checkForComodification();  
                    throw new NoSuchElementException();  
                }  
            }  
      
            public void remove() {  
                if (lastRet < 0) //lastRet<0表示已经不存在了  
                    throw new IllegalStateException();  
                checkForComodification();  
      
                try {  
                    AbstractList.this.remove(lastRet);  
                    if (lastRet < cursor)  
                        cursor--; //原位置的索引值减小了1，但是实际位置没变  
                    lastRet = -1; //置为-1表示已删除  
                    expectedModCount = modCount;  
                } catch (IndexOutOfBoundsException e) {  
                    throw new ConcurrentModificationException();  
                }  
            }  
      
            final void checkForComodification() {  
                if (modCount != expectedModCount)  
                    throw new ConcurrentModificationException();  
            }  
        }  
      
        private class ListItr extends Itr implements ListIterator<E> {  
            ListItr(int index) {  
                cursor = index;  
            }  
      
            public boolean hasPrevious() {  
                return cursor != 0;  
            }  
      
            public E previous() {  
                checkForComodification();  
                try {  
                    int i = cursor - 1; //previous()方法中也做了两件事：  
                    E previous = get(i); //1. 将索引向前移动一位  
                    lastRet = cursor = i; //2. 返回索引处的值  
                    return previous;  
                } catch (IndexOutOfBoundsException e) {  
                    checkForComodification();  
                    throw new NoSuchElementException();  
                }  
            }  
      
            public int nextIndex() { //iterator中的index本来就是下一个位置，在next()方法中可以看出  
                return cursor;  
            }  
      
            public int previousIndex() {  
                return cursor-1;  
            }  
      
            public void set(E e) { //修改当前位置的元素  
                if (lastRet < 0)  
                    throw new IllegalStateException();  
                checkForComodification();  
      
                try {  
                    AbstractList.this.set(lastRet, e);  
                    expectedModCount = modCount;  
                } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {  
                    throw new ConcurrentModificationException();  
                }  
            }  
      
            public void add(E e) { //在当前位置添加元素  
                checkForComodification();  
      
                try {  
                    int i = cursor;  
                    AbstractList.this.add(i, e);  
                    lastRet = -1;  
                    cursor = i + 1;  
                    expectedModCount = modCount;  
                } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {  
                    throw new ConcurrentModificationException();  
                }  
            }  
        }  
    /**********************************************************************************/  
      
        //获得子List，详细源码往下看SubList类  
        public List<E> subList(int fromIndex, int toIndex) {  
            return (this instanceof RandomAccess ?  
                    new RandomAccessSubList<>(this, fromIndex, toIndex) :  
                    new SubList<>(this, fromIndex, toIndex));  
        }  
      
    /*************************** Comparison and hashing *******************************/  
        public boolean equals(Object o) {  
            if (o == this)  
                return true;  
            if (!(o instanceof List))  
                return false;  
      
            ListIterator<E> e1 = listIterator();  
            ListIterator e2 = ((List) o).listIterator();  
            while (e1.hasNext() && e2.hasNext()) {  
                E o1 = e1.next();  
                Object o2 = e2.next();  
                if (!(o1==null ? o2==null : o1.equals(o2)))  
                    return false;  
            }  
            return !(e1.hasNext() || e2.hasNext());  
        }  
      
        public int hashCode() { //hashcode  
            int hashCode = 1;  
            for (E e : this)  
                hashCode = 31*hashCode + (e==null ? 0 : e.hashCode());  
            return hashCode;  
        }  
    /**********************************************************************************/   
        protected transient int modCount = 0;  
      
        private void rangeCheckForAdd(int index) {  
            if (index < 0 || index > size())  
                throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));  
        }  
      
        private String outOfBoundsMsg(int index) {  
            return "Index: "+index+", Size: "+size();  
        }  
    }  
      
    class SubList<E> extends AbstractList<E> {  
        private final AbstractList<E> l;  
        private final int offset;  
        private int size;  
        /* 从SubList源码可以看出，当需要获得一个子List时，底层并不是真正的返回一个子List，还是原来的List，只不过 
        * 在操作的时候，索引全部限定在用户所需要的子List部分而已 
        */  
        SubList(AbstractList<E> list, int fromIndex, int toIndex) {  
            if (fromIndex < 0)  
                throw new IndexOutOfBoundsException("fromIndex = " + fromIndex);  
            if (toIndex > list.size())  
                throw new IndexOutOfBoundsException("toIndex = " + toIndex);  
            if (fromIndex > toIndex)  
                throw new IllegalArgumentException("fromIndex(" + fromIndex +  
                                                   ") > toIndex(" + toIndex + ")");  
            l = list; //原封不动的将原来的list赋给l  
            offset = fromIndex; //偏移量，用在操作新的子List中  
            size = toIndex - fromIndex; //子List的大小，所以子List中不包括toIndex处的值，即子List中包括左边不包括右边  
            this.modCount = l.modCount;  
        }  
        //注意下面所有的操作都在索引上加上偏移量offset，相当于在原来List的副本上操作子List  
        public E set(int index, E element) {  
            rangeCheck(index);  
            checkForComodification();  
            return l.set(index+offset, element);  
        }  
      
        public E get(int index) {  
            rangeCheck(index);  
            checkForComodification();  
            return l.get(index+offset);  
        }  
      
        public int size() {  
            checkForComodification();  
            return size;  
        }  
      
        public void add(int index, E element) {  
            rangeCheckForAdd(index);  
            checkForComodification();  
            l.add(index+offset, element);  
            this.modCount = l.modCount;  
            size++;  
        }  
      
        public E remove(int index) {  
            rangeCheck(index);  
            checkForComodification();  
            E result = l.remove(index+offset);  
            this.modCount = l.modCount;  
            size--;  
            return result;  
        }  
      
        protected void removeRange(int fromIndex, int toIndex) {  
            checkForComodification();  
            l.removeRange(fromIndex+offset, toIndex+offset);  
            this.modCount = l.modCount;  
            size -= (toIndex-fromIndex);  
        }  
      
        public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {  
            return addAll(size, c);  
        }  
      
        public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {  
            rangeCheckForAdd(index);  
            int cSize = c.size();  
            if (cSize==0)  
                return false;  
      
            checkForComodification();  
            l.addAll(offset+index, c);  
            this.modCount = l.modCount;  
            size += cSize;  
            return true;  
        }  
      
        public Iterator<E> iterator() {  
            return listIterator();  
        }  
      
        public ListIterator<E> listIterator(final int index) {  
            checkForComodification();  
            rangeCheckForAdd(index);  
      
            return new ListIterator<E>() {  
                private final ListIterator<E> i = l.listIterator(index+offset); //相当子List的索引0  
      
                public boolean hasNext() {  
                    return nextIndex() < size;  
                }  
      
                public E next() {  
                    if (hasNext())  
                        return i.next();  
                    else  
                        throw new NoSuchElementException();  
                }  
      
                public boolean hasPrevious() {  
                    return previousIndex() >= 0;  
                }  
      
                public E previous() {  
                    if (hasPrevious())  
                        return i.previous();  
                    else  
                        throw new NoSuchElementException();  
                }  
      
                public int nextIndex() {  
                    return i.nextIndex() - offset;  
                }  
      
                public int previousIndex() {  
                    return i.previousIndex() - offset;  
                }  
      
                public void remove() {  
                    i.remove();  
                    SubList.this.modCount = l.modCount;  
                    size--;  
                }  
      
                public void set(E e) {  
                    i.set(e);  
                }  
      
                public void add(E e) {  
                    i.add(e);  
                    SubList.this.modCount = l.modCount;  
                    size++;  
                }  
            };  
        }  
      
        public List<E> subList(int fromIndex, int toIndex) {  
            return new SubList<>(this, fromIndex, toIndex);  
        }  
      
        private void rangeCheck(int index) {  
            if (index < 0 || index >= size)  
                throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));  
        }  
      
        private void rangeCheckForAdd(int index) {  
            if (index < 0 || index > size)  
                throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));  
        }  
      
        private String outOfBoundsMsg(int index) {  
            return "Index: "+index+", Size: "+size;  
        }  
      
        private void checkForComodification() {  
            if (this.modCount != l.modCount)  
                throw new ConcurrentModificationException();  
        }  
    }  
      
    class RandomAccessSubList<E> extends SubList<E> implements RandomAccess {  
        RandomAccessSubList(AbstractList<E> list, int fromIndex, int toIndex) {  
            super(list, fromIndex, toIndex);  
        }  
      
        public List<E> subList(int fromIndex, int toIndex) {  
            return new RandomAccessSubList<>(this, fromIndex, toIndex);  
        }  
    }

# **6. AbstractSet** #

AbstractSet的定义如下：

public abstract class AbstractSet<E> extends AbstractCollection<E> implements Set<E> {}

AbstractSet是一个继承与AbstractCollection，并且实现了Set接口的抽象类。由于Set接口和Collection接口中的API完全一样，所以Set也就没有自己单独的API。和AbstractCollection一样，它实现了List中除iterator()和size()外的方法。所以源码和AbstractCollection的一样。

AbstractSet的主要作用：它实现了Set接口总的大部分函数，从而方便其他类实现Set接口。

# **7. Iterator** #

Iterator的定义如下：

public interface Iterator<E> {}

Iterator是一个接口，它是集合的迭代器。集合可以通过Iterator去遍历其中的元素。Iterator提供的API接口包括：是否存在下一个元素，获取下一个元素和删除当前元素。

注意：Iterator遍历Collection时，是fail-fast机制的。即，当某一个线程A通过iterator去遍历某集合的过程中，若该集合的内容被其他线程所改变了，那么线程A访问集合时，就会抛出CurrentModificationException异常，产生fail-fast事件。下面是Iterator的几个API。

// Iterator的API  
    abstract boolean hasNext()  
    abstract E next()  
    abstract void remove()

# **8. ListIterator** #

ListIterator的定义如下：

public interface ListIterator<E> extends Iterator<E> {}

ListIterator是一个继承Iterator的接口，它是队列迭代器。专门用于遍历List，能提供向前和向后遍历。相比于Iterator，它新增了添加、是否存在上一个元素、获取上一个元素等API接口：

// 继承于Iterator的接口  
    abstract boolean hasNext()  
    abstract E next()  
    abstract void remove()  
    // 新增API接口  
    abstract void add(E object)  
    abstract boolean hasPrevious()  
    abstract int nextIndex()  
    abstract E previous()  
    abstract int previousIndex()  
    abstract void set(E object)

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