集合系列 List：ArrayList

ArrayList 是 List 集合的列表經典實現，其底層採用定長數組實現，可以根據集合大小進行自動擴容。

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

原理

爲了深入理解 ArrayList 的原理，我們將從類成員變量、構造方法、核心方法兩個方面逐一介紹。

類成員變量

// 默認初始化大小
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
// 空列表數據。初始化時如果沒有指定大小，則將此值賦予elementData
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
// 默認空列表數據。如果沒有指定大小，那麼將此值賦予elementData
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
// 列表數據
transient Object[] elementData; 
// 列表大小
private int size;

構造方法
ArrayList 一共有 3 個構造方法：

// 空構造方法
public ArrayList() {
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
// 指定大小
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);
    }
}
// 指定初始集合
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
    elementData = c.toArray();
    if ((size = elementData.length) != 0) {
        // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
        if (elementData.getClass() != Object[].class)
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
    } else {
        // replace with empty array.
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
}

從第一個構造方法可以看到，如果沒有指定大小，那麼就將 elementData 賦值爲 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA。而從第二個構造方法可以看到，如果指定了大小爲 0，那麼就將 elementData 賦值爲 EMPTY_ELEMENTDATA。

核心方法

在 ArrayList 中最爲核心的是獲取、插入、刪除、擴容這幾個方法。

獲取

獲取的源碼非常簡單，只需對 index 做有效性校驗。如果參數合法，那麼直接返回對應數組下標的數據。

public E get(int index) {
    rangeCheck(index);
    return elementData(index);
}

插入

插入一共有兩種實現方式，第一種是直接插入列表尾部，另一種是插入某個位置。

// 直接插入尾部
public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    elementData[size++] = e;
    return true;
}
// 插入某個位置
public void add(int index, E element) {
    rangeCheckForAdd(index);

    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                     size - index);
    elementData[index] = element;
    size++;
}

如果是直接插入尾部的話，那麼只需調用 ensureCapacityInternal 方法做容量檢測。如果空間足夠，那麼就插入，空間不夠就擴容後插入。
如果是插入的是某個位置，那麼就需要將 index 之後的所有元素後移以爲，之後再將元素插入至 index 處。

刪除

ArrayList 的刪除方法有兩個，分別是：

• 刪除某個位置的元素：remove(int index)
• 刪除某個具體的元素：remove(Object o)

我們先來看第一個刪除方法：刪除某個位置的元素。

// 刪除某個位置的元素
public E remove(int index) {
    rangeCheck(index);

    modCount++;
    E oldValue = elementData(index);

    int numMoved = size - index - 1;
    if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                         numMoved);
    elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work

    return oldValue;
}

上述代碼的邏輯大致是這樣的：首先做參數範圍檢查，接着將 index 位置後的所有元素都往前挪一位，最後減少列表大小。

我們繼續看第二個刪除方法：刪除某個特定的元素。

public boolean remove(Object o) {
    if (o == null) {
        for (int index = 0; index < size; index++)
            if (elementData[index] == null) {
                fastRemove(index);
                return true;
            }
    } else {
        for (int index = 0; index < size; index++)
            if (o.equals(elementData[index])) {
                fastRemove(index);
                return true;
            }
    }
    return false;
}

上述代碼的邏輯大致是：首先，遍歷列表的所有元素，找到需要刪除的元素索引，最後調用 fastRemove 方法刪除該元素。我們繼續看看 fastRemove 方法的實現。

/*
 * 用私有的方法 fastRemove 方法跳過邊界檢查，不返回刪除值。
 */
private void fastRemove(int index) {
    modCount++;
    int numMoved = size - index - 1;
    if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                         numMoved);
    elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
}

這裏會有一個疑問，那就是爲什麼不直接複用 remove(int index) 方法，而要新寫一個方法呢？答案在 fastRemove 方法的註釋中已經寫了，就是爲了跳過邊界檢查，提高效率。

擴容

擴容是 ArrayList 的核心方法，當插入的時候容量不足，便會觸發擴容。我們可以看到在插入的兩個方法中都調用了擴容方法——ensureCapacityInternal。

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}

ensureCapacityInternal 方法直接調用 ensureExplicitCapacity 實現。

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;
    // overflow-conscious code
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);
}

ensureExplicitCapacity 方法首先判斷容量是否足夠，如果不夠就調用 grow 方法擴容。

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

grow 方法的大致邏輯爲：將原有列表容量擴大爲原來的 1.5 倍。如果還是不夠，那麼直接擴大爲最小容量（minCapacity）。

總結

經過上面的分析，我們可以知道 ArrayList 有如下特點：

• 底層基於數組實現，讀取速度快，修改速度慢（讀取時間複雜度O(1)，修改時間複雜度O(N)）。
• 非線程安全。
• ArrayList 每次默認擴容爲原來的 1.5 倍。