ArrayList（一）源码分析

一、ArrayList概述

ArrayList 是一个数组队列，相当于动态数组。与Java中的数组相比，它的容量能动态增长。它继承于AbstractList，实现了List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable这些接口。
ArrayList 继承了AbstractList，实现了List。它是一个数组队列，提供了相关的添加、删除、修改、遍历等功能。
ArrayList 实现了RandomAccess接口，即提供了随机访问功能。RandomAccess是java中用来被List实现，为List提供快速访问功能的。在ArrayList中，我们即可以通过元素的序号快速获取元素对象；这就是快速随机访问。稍后，我们会比较List的“快速随机访问”和“通过Iterator迭代器访问”的效率。
ArrayList 实现了Cloneable接口，即覆盖了函数clone()，能被克隆。
ArrayList 实现java.io.Serializable接口，这意味着ArrayList支持序列化，能通过序列化去传输数据。
和Vector不同，ArrayList中的操作不是线程安全的！所以，建议在单线程中才使用ArrayList，而在多线程中可以选择Vector或者CopyOnWriteArrayList。

二、ArrayList实现

（1）属性

在jdk1.8中，属性 elementData 使用非私有来简化嵌套类访问，用 transient 关键字修饰（在序列化过程中，加上该关键字的属性可以防止序列化），默认初始容量是10

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
    private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;

    /**
     * Default initial capacity.
     */
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

    /**
     * Shared empty array instance used for empty instances.
     */
    private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

    /**
     * Shared empty array instance used for default sized empty instances. We
     * distinguish this from EMPTY_ELEMENTDATA to know how much to inflate when
     * first element is added.
     */
    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

    /**
     * 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;

（2）构造方法

ArrayList 提供三种构造方法：

（1）无参构造方法。构建一个初始容量为10的空列表。

（2）带一个参数的构造方法。用指定的初始容量构造一个空列表。

（3）构造一个包含指定集合元素的列表，按照集合的迭代器返回的顺序。

   public ArrayList() {
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
 

    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);
        }
    }

  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;
     }
  }

（3）元素存储

a. set(int index, E element) 用指定的元素替换该列表中指定位置的元素。

    public E set(int index, E element) {
        rangeCheck(index);

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

b. add(E e) 将指定元素追加到该列表的末尾。

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

c. add(int index, E element) 将指定元素插入该列表中的指定位置。将当前位置上的元素(如果有)和其他元素移到右边(将一个元素添加到它们的索引中)。

    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++;
    }

d. addAll(Collection<? extends E> c) 将指定集合中的所有元素附加到该列表的末尾，以便由指定集合的迭代器返回它们。如果在运行过程中修改指定的集合，则此操作的行为是未定义的。(这意味着如果指定的集合是这个列表，而且这个列表是非空的，这个调用的行为是未定义的。)

    public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
        Object[] a = c.toArray();
        int numNew = a.length;
        ensureCapacityInternal(size + numNew);  // Increments modCount
        System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
        size += numNew;
        return numNew != 0;
    }

e. addAll(int index, Collection<? extends E> c) 将指定集合中的所有元素插入该列表，从指定位置开始。将当前位置上的元素(如果有)和其他元素移到右边(增加它们的索引)。新元素将出现在列表中，它们由指定集合的迭代器返回。

    public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
        rangeCheckForAdd(index);

        Object[] a = c.toArray();
        int numNew = a.length;
        ensureCapacityInternal(size + numNew);  // Increments modCount

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

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

（4）元素读取

get(int index)

    public E get(int index) {
        rangeCheck(index);

        return elementData(index);
    }

（5）元素删除

ArrayList提供了两种删除方法，一种通过下标删除，一种通过指定对象删除。

a. remove(int index) : 将元素移到该列表中的指定位置。将后面的元素移到左边(从它们的索引中减去一个)，并返回被移除的元素。

    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;
    }

b. remove(Object o) : 从这个列表中删除指定元素的第一个出现，如果它存在的话。如果列表中不包含元素，那么它是不变的

    public boolean remove(Object o) {
        if (o == null) {  // 由于ArrayList中允许存放null，因此下面通过两种情况来分别处理。
            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;
    }

首先通过代码可以看到，当移除成功后返回true，否则返回false。remove(Object o)中通过遍历element寻找是否存在传入对象，一旦找到就调用fastRemove移除对象。为什么找到了元素就知道了index，不通过remove(index)来移除元素呢？因为fastRemove跳过了判断边界的处理，因为找到元素就相当于确定了index不会超过边界，而且fastRemove并不返回被移除的元素。下面是fastRemove的代码，基本和remove(index)一致。

    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
    }

c. removeRange(int fromIndex, int toIndex) : 从这个列表中删除索引之间的所有元素

    protected void removeRange(int fromIndex, int toIndex) {
        modCount++;
        int numMoved = size - toIndex;
        System.arraycopy(elementData, toIndex, elementData, fromIndex,
                         numMoved);

        // clear to let GC do its work
        int newSize = size - (toIndex-fromIndex);
        for (int i = newSize; i < size; i++) {
            elementData[i] = null;
        }
        size = newSize;
    }

（6）调整数组容量

从上面介绍的向ArrayList中存储元素的代码中，我们看到，每当向数组中添加元素时，都要去检查添加后元素的个数是否会超出当前数组的长度，如果超出，数组将会进行扩容，以满足添加数据的需求。数组扩容通过一个公开的方法ensureCapacity(int minCapacity)来实现。在实际添加大量元素前，我也可以使用ensureCapacity来手动增加ArrayList实例的容量，以减少递增式再分配的数量。

    public void ensureCapacity(int minCapacity) {
        int minExpand = (elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)
            // any size if not default element table
            ? 0
            // larger than default for default empty table. It's already
            // supposed to be at default size.
            : DEFAULT_CAPACITY;

        if (minCapacity > minExpand) {
            ensureExplicitCapacity(minCapacity);
        }
    }

    private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
            minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }

        ensureExplicitCapacity(minCapacity);
    }

    private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        modCount++;

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


    private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

 
    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);
    }

MAX_ARRAY_SIZE
要分配的数组的最大大小。一些vm在数组中保留一些标题字。尝试分配更大的数组可能会导致OutOfMemoryError:请求的数组大小超过VM限制
要注意的是在jdk1.6中每当数组满了，扩容是通过算术运算符运算，从jdk1.7开始，扩容是通过位运算来操作（默认扩展1.5倍），提高了效率。

从上述代码中可以看出，数组进行扩容时，会将老数组中的元素重新拷贝一份到新的数组中，每次数组容量的增长大约是其原容量的1.5倍。这种操作的代价是很高的，因此在实际使用时，我们应该尽量避免数组容量的扩张。当我们可预知要保存的元素的多少时，要在构造ArrayList实例时，就指定其容量，以避免数组扩容的发生。或者根据实际需求，通过调用ensureCapacity方法来手动增加ArrayList实例的容量。

trimToSize() 将这个 ArrayList 实例的容量作为列表的当前大小。应用程序可以使用此操作来最小化 ArrayList 实例的存储。

    public void trimToSize() {
        modCount++;
        if (size < elementData.length) {
            elementData = (size == 0)
              ? EMPTY_ELEMENTDATA
              : Arrays.copyOf(elementData, size);
        }
    }

由于elementData的长度会被拓展，size标记的是其中包含的元素的个数。所以会出现size很小但elementData.length很大的情况，将出现空间的浪费。trimToSize将返回一个新的数组给elementData，元素内容保持不变，length和size相同，节省空间。

（7）将列表转为静态数据

ArrayList 提供了两个 toArray 方法：

a. 调用Arrays.copyOf将返回一个数组，数组内容是size个elementData的元素，即拷贝elementData从0至size-1位置的元素到新数组并返回。

    public Object[] toArray() {
        return Arrays.copyOf(elementData, size);
    }

b. 如果传入数组的长度小于size，返回一个新的数组，大小为size，类型与传入数组相同。所传入数组长度与size相等，则将elementData复制到传入数组中并返回传入的数组。若传入数组长度大于size，除了复制elementData外，还将把返回数组的第size个元素置为空。

    @SuppressWarnings("unchecked")
    public <T> T[] toArray(T[] a) {
        if (a.length < size)
            // Make a new array of a's runtime type, but my contents:
            return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass());
        System.arraycopy(elementData, 0, a, 0, size);
        if (a.length > size)
            a[size] = null;
        return a;
    }

ArrayList（一）源码分析

一、ArrayList概述

二、ArrayList实现

（1）属性

（2）构造方法

（3）元素存储

（4）元素读取

（5）元素删除

（6）调整数组容量

（7）将列表转为静态数据

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