Java 集合Vector源碼深入解析

概論

學完ArrayList和LinkedList之后，我們接著學習Vector。學習方式還是和之前一樣，先對Vector有個整體認識，然后再學習它的源碼；最后再通過實例來學會使用它。

第1部分 Vector介紹

Vector簡介

Vector 是矢量隊列，它是JDK1.0版本添加的類。繼承于AbstractList，實現了List, RandomAccess, Cloneable這些接口。
Vector 繼承了AbstractList，實現了List；所以，它是一個隊列，支持相關的添加、刪除、修改、遍歷等功能。
Vector 實現了RandmoAccess接口，即提供了隨機訪問功能。RandmoAccess是java中用來被List實現，為List提供快速訪問功能的。在Vector中，我們即可以通過元素的序號快速獲取元素對象；這就是快速隨機訪問。
Vector 實現了Cloneable接口，即實現clone()函數。它能被克隆。

和ArrayList不同，Vector中的操作是線程安全的。

Vector的構造函數

Vector共有4個構造函數
// 默認構造函數
Vector()

// capacity是Vector的默認容量大小。當由于增加數據導致容量增加時，每次容量會增加一倍。
Vector(int capacity)

// capacity是Vector的默認容量大小，capacityIncrement是每次Vector容量增加時的增量值。
Vector(int capacity, int capacityIncrement)

// 創建一個包含collection的Vector
Vector(Collection<? extends E> collection)

Vector的API

synchronized boolean        add(E object)
             void           add(int location, E object)
synchronized boolean        addAll(Collection<? extends E> collection)
synchronized boolean        addAll(int location, Collection<? extends E> collection)
synchronized void           addElement(E object)
synchronized int            capacity()
             void           clear()
synchronized Object         clone()
             boolean        contains(Object object)
synchronized boolean        containsAll(Collection<?> collection)
synchronized void           copyInto(Object[] elements)
synchronized E              elementAt(int location)
             Enumeration<E> elements()
synchronized void           ensureCapacity(int minimumCapacity)
synchronized boolean        equals(Object object)
synchronized E              firstElement()
             E              get(int location)
synchronized int            hashCode()
synchronized int            indexOf(Object object, int location)
             int            indexOf(Object object)
synchronized void           insertElementAt(E object, int location)
synchronized boolean        isEmpty()
synchronized E              lastElement()
synchronized int            lastIndexOf(Object object, int location)
synchronized int            lastIndexOf(Object object)
synchronized E              remove(int location)
             boolean        remove(Object object)
synchronized boolean        removeAll(Collection<?> collection)
synchronized void           removeAllElements()
synchronized boolean        removeElement(Object object)
synchronized void           removeElementAt(int location)
synchronized boolean        retainAll(Collection<?> collection)
synchronized E              set(int location, E object)
synchronized void           setElementAt(E object, int location)
synchronized void           setSize(int length)
synchronized int            size()
synchronized List<E>        subList(int start, int end)
synchronized <T> T[]        toArray(T[] contents)
synchronized Object[]       toArray()
synchronized String         toString()
synchronized void           trimToSize()

第2部分 Vector數據結構

Vector的繼承關系

java.lang.Object
   ?     java.util.AbstractCollection<E>
         ?     java.util.AbstractList<E>
               ?     java.util.Vector<E>

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

Vector與Collection關系如下圖：
cdn.xitu.io/2018/5/16/1636925af02e5618?w=516&h=448&f=jpeg&s=74765">
Vector的數據結構和ArrayList差不多，它包含了3個成員變量：elementData , elementCount， capacityIncrement。

(01) elementData 是"Object[]類型的數組"，它保存了添加到Vector中的元素。elementData是個動態數組，如果初始化Vector時，沒指定動態數組的>大小，則使用默認大小10。隨著Vector中元素的增加，Vector的容量也會動態增長，capacityIncrement是與容量增長相關的增長系數，具體的增長方式，請參考源碼分析中的ensureCapacity()函數。

(02) elementCount 是動態數組的實際大小。

(03) capacityIncrement 是動態數組的增長系數。如果在創建Vector時，指定了capacityIncrement的大小；則，每次當Vector中動態數組容量增加時>，增加的大小都是capacityIncrement。

第3部分 Vector源碼解析(基于JDK1.6.0_45)

為了更了解Vector的原理，下面對Vector源碼代碼作出分析。

package java.util;

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

    // 保存Vector中數據的數組
    protected Object[] elementData;

    // 實際數據的數量
    protected int elementCount;

    // 容量增長系數
    protected int capacityIncrement;

    // Vector的序列版本號
    private static final long serialVersionUID = -2767605614048989439L;

    // Vector構造函數。默認容量是10。
    public Vector() {
        this(10);
    }

    // 指定Vector容量大小的構造函數
    public Vector(int initialCapacity) {
        this(initialCapacity, 0);
    }

    // 指定Vector"容量大小"和"增長系數"的構造函數
    public Vector(int initialCapacity, int capacityIncrement) {
        super();
        if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                               initialCapacity);
        // 新建一個數組，數組容量是initialCapacity
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
        // 設置容量增長系數
        this.capacityIncrement = capacityIncrement;
    }

    // 指定集合的Vector構造函數。
    public Vector(Collection<? extends E> c) {
        // 獲取“集合(c)”的數組，并將其賦值給elementData
        elementData = c.toArray();
        // 設置數組長度
        elementCount = elementData.length;
        // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
        if (elementData.getClass() != Object[].class)
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, elementCount, Object[].class);
    }

    // 將數組Vector的全部元素都拷貝到數組anArray中
    public synchronized void copyInto(Object[] anArray) {
        System.arraycopy(elementData, 0, anArray, 0, elementCount);
    }

    // 將當前容量值設為 =實際元素個數
    public synchronized void trimToSize() {
        modCount++;
        int oldCapacity = elementData.length;
        if (elementCount < oldCapacity) {
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, elementCount);
        }
    }

    // 確認“Vector容量”的幫助函數
    private void ensureCapacityHelper(int minCapacity) {
        int oldCapacity = elementData.length;
        // 當Vector的容量不足以容納當前的全部元素，增加容量大小。
        // 若 容量增量系數>0(即capacityIncrement>0)，則將容量增大當capacityIncrement
        // 否則，將容量增大一倍。
        if (minCapacity > oldCapacity) {
            Object[] oldData = elementData;
            int newCapacity = (capacityIncrement > 0) ?
                (oldCapacity + capacityIncrement) : (oldCapacity * 2);
            if (newCapacity < minCapacity) {
                newCapacity = minCapacity;
            }
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
        }
    }

    // 確定Vector的容量。
    public synchronized void ensureCapacity(int minCapacity) {
        // 將Vector的改變統計數+1
        modCount++;
        ensureCapacityHelper(minCapacity);
    }

    // 設置容量值為 newSize
    public synchronized void setSize(int newSize) {
        modCount++;
        if (newSize > elementCount) {
            // 若 "newSize 大于 Vector容量"，則調整Vector的大小。
            ensureCapacityHelper(newSize);
        } else {
            // 若 "newSize 小于/等于 Vector容量"，則將newSize位置開始的元素都設置為null
            for (int i = newSize ; i < elementCount ; i++) {
                elementData[i] = null;
            }
        }
        elementCount = newSize;
    }

    // 返回“Vector的總的容量”
    public synchronized int capacity() {
        return elementData.length;
    }

    // 返回“Vector的實際大小”，即Vector中元素個數
    public synchronized int size() {
        return elementCount;
    }

    // 判斷Vector是否為空
    public synchronized boolean isEmpty() {
        return elementCount == 0;
    }

    // 返回“Vector中全部元素對應的Enumeration”
    public Enumeration<E> elements() {
        // 通過匿名類實現Enumeration
        return new Enumeration<E>() {
            int count = 0;

            // 是否存在下一個元素
            public boolean hasMoreElements() {
                return count < elementCount;
            }

            // 獲取下一個元素
            public E nextElement() {
                synchronized (Vector.this) {
                    if (count < elementCount) {
                        return (E)elementData[count++];
                    }
                }
                throw new NoSuchElementException("Vector Enumeration");
            }
        };
    }

    // 返回Vector中是否包含對象(o)
    public boolean contains(Object o) {
        return indexOf(o, 0) >= 0;
    }

    // 從index位置開始向后查找元素(o)。
    // 若找到，則返回元素的索引值；否則，返回-1
    public synchronized int indexOf(Object o, int index) {
        if (o == null) {
            // 若查找元素為null，則正向找出null元素，并返回它對應的序號
            for (int i = index ; i < elementCount ; i++)
            if (elementData[i]==null)
                return i;
        } else {
            // 若查找元素不為null，則正向找出該元素，并返回它對應的序號
            for (int i = index ; i < elementCount ; i++)
            if (o.equals(elementData[i]))
                return i;
        }
        return -1;
    }

    // 查找并返回元素(o)在Vector中的索引值
    public int indexOf(Object o) {
        return indexOf(o, 0);
    }

    // 從后向前查找元素(o)。并返回元素的索引
    public synchronized int lastIndexOf(Object o) {
        return lastIndexOf(o, elementCount-1);
    }

    // 從后向前查找元素(o)。開始位置是從前向后的第index個數；
    // 若找到，則返回元素的“索引值”；否則，返回-1。
    public synchronized int lastIndexOf(Object o, int index) {
        if (index >= elementCount)
            throw new IndexOutOfBoundsException(index + " >= "+ elementCount);

        if (o == null) {
            // 若查找元素為null，則反向找出null元素，并返回它對應的序號
            for (int i = index; i >= 0; i--)
            if (elementData[i]==null)
                return i;
        } else {
            // 若查找元素不為null，則反向找出該元素，并返回它對應的序號
            for (int i = index; i >= 0; i--)
            if (o.equals(elementData[i]))
                return i;
        }
        return -1;
    }

    // 返回Vector中index位置的元素。
    // 若index月結，則拋出異常
    public synchronized E elementAt(int index) {
        if (index >= elementCount) {
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index + " >= " + elementCount);
        }

        return (E)elementData[index];
    }

    // 獲取Vector中的第一個元素。
    // 若失敗，則拋出異常！
    public synchronized E firstElement() {
        if (elementCount == 0) {
            throw new NoSuchElementException();
        }
        return (E)elementData[0];
    }

    // 獲取Vector中的最后一個元素。
    // 若失敗，則拋出異常！
    public synchronized E lastElement() {
        if (elementCount == 0) {
            throw new NoSuchElementException();
        }
        return (E)elementData[elementCount - 1];
    }

    // 設置index位置的元素值為obj
    public synchronized void setElementAt(E obj, int index) {
        if (index >= elementCount) {
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index + " >= " +
                                 elementCount);
        }
        elementData[index] = obj;
    }

    // 刪除index位置的元素
    public synchronized void removeElementAt(int index) {
        modCount++;
        if (index >= elementCount) {
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index + " >= " +
                                 elementCount);
        } else if (index < 0) {
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);
        }

        int j = elementCount - index - 1;
        if (j > 0) {
            System.arraycopy(elementData, index + 1, elementData, index, j);
        }
        elementCount--;
        elementData[elementCount] = null; /* to let gc do its work */
    }

    // 在index位置處插入元素(obj)
    public synchronized void insertElementAt(E obj, int index) {
        modCount++;
        if (index > elementCount) {
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index
                                 + " > " + elementCount);
        }
        ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, elementCount - index);
        elementData[index] = obj;
        elementCount++;
    }

    // 將“元素obj”添加到Vector末尾
    public synchronized void addElement(E obj) {
        modCount++;
        ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
        elementData[elementCount++] = obj;
    }

    // 在Vector中查找并刪除元素obj。
    // 成功的話，返回true；否則，返回false。
    public synchronized boolean removeElement(Object obj) {
        modCount++;
        int i = indexOf(obj);
        if (i >= 0) {
            removeElementAt(i);
            return true;
        }
        return false;
    }

    // 刪除Vector中的全部元素
    public synchronized void removeAllElements() {
        modCount++;
        // 將Vector中的全部元素設為null
        for (int i = 0; i < elementCount; i++)
            elementData[i] = null;

        elementCount = 0;
    }

    // 克隆函數
    public synchronized Object clone() {
        try {
            Vector<E> v = (Vector<E>) super.clone();
            // 將當前Vector的全部元素拷貝到v中
            v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, elementCount);
            v.modCount = 0;
            return v;
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            // this shouldn't happen, since we are Cloneable
            throw new InternalError();
        }
    }

    // 返回Object數組
    public synchronized Object[] toArray() {
        return Arrays.copyOf(elementData, elementCount);
    }

    // 返回Vector的模板數組。所謂模板數組，即可以將T設為任意的數據類型
    public synchronized <T> T[] toArray(T[] a) {
        // 若數組a的大小 < Vector的元素個數；
        // 則新建一個T[]數組，數組大小是“Vector的元素個數”，并將“Vector”全部拷貝到新數組中
        if (a.length < elementCount)
            return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, elementCount, a.getClass());

        // 若數組a的大小 >= Vector的元素個數；
        // 則將Vector的全部元素都拷貝到數組a中。
    System.arraycopy(elementData, 0, a, 0, elementCount);

        if (a.length > elementCount)
            a[elementCount] = null;

        return a;
    }

    // 獲取index位置的元素
    public synchronized E get(int index) {
        if (index >= elementCount)
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);

        return (E)elementData[index];
    }

    // 設置index位置的值為element。并返回index位置的原始值
    public synchronized E set(int index, E element) {
        if (index >= elementCount)
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);

        Object oldValue = elementData[index];
        elementData[index] = element;
        return (E)oldValue;
    }

    // 將“元素e”添加到Vector最后。
    public synchronized boolean add(E e) {
        modCount++;
        ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
        elementData[elementCount++] = e;
        return true;
    }

    // 刪除Vector中的元素o
    public boolean remove(Object o) {
        return removeElement(o);
    }

    // 在index位置添加元素element
    public void add(int index, E element) {
        insertElementAt(element, index);
    }

    // 刪除index位置的元素，并返回index位置的原始值
    public synchronized E remove(int index) {
        modCount++;
        if (index >= elementCount)
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);
        Object oldValue = elementData[index];

        int numMoved = elementCount - index - 1;
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                     numMoved);
        elementData[--elementCount] = null; // Let gc do its work

        return (E)oldValue;
    }

    // 清空Vector
    public void clear() {
        removeAllElements();
    }

    // 返回Vector是否包含集合c
    public synchronized boolean containsAll(Collection<?> c) {
        return super.containsAll(c);
    }

    // 將集合c添加到Vector中
    public synchronized boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
        modCount++;
        Object[] a = c.toArray();
        int numNew = a.length;
        ensureCapacityHelper(elementCount + numNew);
        // 將集合c的全部元素拷貝到數組elementData中
        System.arraycopy(a, 0, elementData, elementCount, numNew);
        elementCount += numNew;
        return numNew != 0;
    }

    // 刪除集合c的全部元素
    public synchronized boolean removeAll(Collection<?> c) {
        return super.removeAll(c);
    }

    // 刪除“非集合c中的元素”
    public synchronized boolean retainAll(Collection<?> c)  {
        return super.retainAll(c);
    }

    // 從index位置開始，將集合c添加到Vector中
    public synchronized boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
        modCount++;
        if (index < 0 || index > elementCount)
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);

        Object[] a = c.toArray();
        int numNew = a.length;
        ensureCapacityHelper(elementCount + numNew);

        int numMoved = elementCount - index;
        if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew, numMoved);

        System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);
        elementCount += numNew;
        return numNew != 0;
    }

    // 返回兩個對象是否相等
    public synchronized boolean equals(Object o) {
        return super.equals(o);
    }

    // 計算哈希值
    public synchronized int hashCode() {
        return super.hashCode();
    }

    // 調用父類的toString()
    public synchronized String toString() {
        return super.toString();
    }

    // 獲取Vector中fromIndex(包括)到toIndex(不包括)的子集
    public synchronized List<E> subList(int fromIndex, int toIndex) {
        return Collections.synchronizedList(super.subList(fromIndex, toIndex), this);
    }

    // 刪除Vector中fromIndex到toIndex的元素
    protected synchronized void removeRange(int fromIndex, int toIndex) {
        modCount++;
        int numMoved = elementCount - toIndex;
        System.arraycopy(elementData, toIndex, elementData, fromIndex,
                         numMoved);

        // Let gc do its work
        int newElementCount = elementCount - (toIndex-fromIndex);
        while (elementCount != newElementCount)
            elementData[--elementCount] = null;
    }

    // java.io.Serializable的寫入函數
    private synchronized void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
        throws java.io.IOException {
        s.defaultWriteObject();
    }
}

總結：
(01) Vector實際上是通過一個數組去保存數據的。當我們構造Vecotr時；若使用默認構造函數，則Vector的默認容量大小是10。
(02) 當Vector容量不足以容納全部元素時，Vector的容量會增加。若容量增加系數 >0，則將容量的值增加“容量增加系數”；否則，將容量大小增加一倍。
(03) Vector的克隆函數，即是將全部元素克隆到一個數組中。

第4部分 Vector遍歷方式

Vector支持4種遍歷方式。建議使用下面的第二種去遍歷Vector，因為效率問題。

(01) 第一種，通過迭代器遍歷。即通過Iterator去遍歷。

Integer value = null;
int size = vec.size();
for (int i=0; i<size; i++) {
    value = (Integer)vec.get(i);        
}

(02) 第二種，隨機訪問，通過索引值去遍歷。
由于Vector實現了RandomAccess接口，它支持通過索引值去隨機訪問元素。

Integer value = null;
int size = vec.size();
for (int i=0; i<size; i++) {
    value = (Integer)vec.get(i);        
}

(03) 第三種，另一種for循環。如下：

Integer value = null;
for (Integer integ:vec) {
    value = integ;
}

(04) 第四種，Enumeration遍歷。如下：

Integer value = null;
Enumeration enu = vec.elements();
while (enu.hasMoreElements()) {
    value = (Integer)enu.nextElement();
}

測試這些遍歷方式效率的代碼如下：

import java.util.*;

/*
 * @desc Vector遍歷方式和效率的測試程序。
 *
 * @author skywang
 */
public class VectorRandomAccessTest {

    public static void main(String[] args) {
        Vector vec= new Vector();
        for (int i=0; i<100000; i++)
            vec.add(i);
        iteratorThroughRandomAccess(vec) ;
        iteratorThroughIterator(vec) ;
        iteratorThroughFor2(vec) ;
        iteratorThroughEnumeration(vec) ;

    }

    private static void isRandomAccessSupported(List list) {
        if (list instanceof RandomAccess) {
            System.out.println("RandomAccess implemented!");
        } else {
            System.out.println("RandomAccess not implemented!");
        }

    }

    public static void iteratorThroughRandomAccess(List list) {

        long startTime;
        long endTime;
        startTime = System.currentTimeMillis();
        for (int i=0; i<list.size(); i++) {
            list.get(i);
        }
        endTime = System.currentTimeMillis();
        long interval = endTime - startTime;
        System.out.println("iteratorThroughRandomAccess：" + interval+" ms");
    }

    public static void iteratorThroughIterator(List list) {

        long startTime;
        long endTime;
        startTime = System.currentTimeMillis();
        for(Iterator iter = list.iterator(); iter.hasNext(); ) {
            iter.next();
        }
        endTime = System.currentTimeMillis();
        long interval = endTime - startTime;
        System.out.println("iteratorThroughIterator：" + interval+" ms");
    }

    public static void iteratorThroughFor2(List list) {

        long startTime;
        long endTime;
        startTime = System.currentTimeMillis();
        for(Object obj:list)
            ;
        endTime = System.currentTimeMillis();
        long interval = endTime - startTime;
        System.out.println("iteratorThroughFor2：" + interval+" ms");
    }

    public static void iteratorThroughEnumeration(Vector vec) {

        long startTime;
        long endTime;
        startTime = System.currentTimeMillis();
        for(Enumeration enu = vec.elements(); enu.hasMoreElements(); ) {
            enu.nextElement();
        }
        endTime = System.currentTimeMillis();
        long interval = endTime - startTime;
        System.out.println("iteratorThroughEnumeration：" + interval+" ms");
    }
}

運行結果：

iteratorThroughRandomAccess：6 ms
iteratorThroughIterator：9 ms
iteratorThroughFor2：8 ms
iteratorThroughEnumeration：7 ms

總結： 遍歷Vector，使用索引的隨機訪問方式最快，使用迭代器最慢。

第5部分 Vector示例

下面通過示例學習如何使用Vector

import java.util.Vector;
import java.util.List;
import java.util.Iterator;
import java.util.Enumeration;

/**
 * @desc Vector測試函數：遍歷Vector和常用API 
 *
 * @author skywang
 */
public class VectorTest {
    public static void main(String[] args) {
        // 新建Vector
        Vector vec = new Vector();

        // 添加元素
        vec.add("1");
        vec.add("2");
        vec.add("3");
        vec.add("4");
        vec.add("5");

        // 設置第一個元素為100
        vec.set(0, "100");
        // 將“500”插入到第3個位置
        vec.add(2, "300");
        System.out.println("vec:"+vec);

        // (順序查找)獲取100的索引
        System.out.println("vec.indexOf(100):"+vec.indexOf("100"));
        // (倒序查找)獲取100的索引
        System.out.println("vec.lastIndexOf(100):"+vec.lastIndexOf("100"));
        // 獲取第一個元素
        System.out.println("vec.firstElement():"+vec.firstElement());
        // 獲取第3個元素
        System.out.println("vec.elementAt(2):"+vec.elementAt(2));
        // 獲取最后一個元素
        System.out.println("vec.lastElement():"+vec.lastElement());

        // 獲取Vector的大小
        System.out.println("size:"+vec.size());
        // 獲取Vector的總的容量
        System.out.println("capacity:"+vec.capacity());

        // 獲取vector的“第2”到“第4”個元素
        System.out.println("vec 2 to 4:"+vec.subList(1, 4));

        // 通過Enumeration遍歷Vector
        Enumeration enu = vec.elements();
        while(enu.hasMoreElements())
            System.out.println("nextElement():"+enu.nextElement());

        Vector retainVec = new Vector();
        retainVec.add("100");
        retainVec.add("300");
        // 獲取“vec”中包含在“retainVec中的元素”的集合
        System.out.println("vec.retain():"+vec.retainAll(retainVec));
        System.out.println("vec:"+vec);

        // 獲取vec對應的String數組
        String[] arr = (String[]) vec.toArray(new String[0]);
        for (String str:arr)
            System.out.println("str:"+str);

        // 清空Vector。clear()和removeAllElements()一樣！
        vec.clear();
//        vec.removeAllElements();

        // 判斷Vector是否為空
        System.out.println("vec.isEmpty():"+vec.isEmpty());
    }   
}

運行結果：

vec:[100, 2, 300, 3, 4, 5]
vec.indexOf(100):0
vec.lastIndexOf(100):0
vec.firstElement():100
vec.elementAt(2):300
vec.lastElement():5
size:6
capacity:10
vec 2 to 4:[2, 300, 3]
nextElement():100
nextElement():2
nextElement():300
nextElement():3
nextElement():4
nextElement():5
vec.retain():true
vec:[100, 300]
str:100
str:300
vec.isEmpty():true

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