Java 集合深入理解（1）：ArrayList
标签： java集合框架
什么是 ArrayList
ArrayList 是 Java 集合框架中 List接口 的一个实现类。
可以说 ArrayList 是我们使用最多的 List 集合，它有以下特点：
容量不固定，想放多少放多少（当然有最大阈值，但一般达不到）有序的（元素输出顺序与输入顺序一致）元素可以为 null效率高
size(), isEmpty(), get(), set() iterator(), ListIterator() 方法的时间复杂度都是 O(1)add() 添加操作的时间复杂度平均为 O(n)其他所有操作的时间复杂度几乎都是 O(n) 占用空间更小
对比 LinkedList，不用占用额外空间维护链表结构
那 ArrayList 为什么有这些优点呢？我们通过源码一一解析。
ArrayList 的成员变量
1.底层数据结构，数组：
transient Object[] elementData
由于数组类型为 Object，所以允许添加 null 。 transient 说明这个数组无法序列化。 初始时为 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 。
2.默认的空数组：
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
不清楚它俩啥区别。
3.数组初始容量为 10：
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
4.数组中当前元素个数：
private int size;
size <= capacity
5.数组最大容量：
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
Integer.MAX_VALUE = 0x7fffffff
换算成二进制： 2^31 - 1，1111111111111111111111111111111
十进制就是 ：2147483647，二十一亿多。
一些虚拟器需要在数组前加个 头标签，所以减去 8 。 当想要分配比 MAX_ARRAY_SIZE 大的个数就会报 OutOfMemoryError。
ArrayList 的关键方法
1.构造函数
ArrayList 有三种构造函数：
//初始为空数组
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
//根据指定容量，创建个对象数组
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);
}
}
//直接创建和指定集合一样内容的 ArrayList
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
elementData = c.toArray();
if ((size = elementData.length) != 0) {
// c.toArray 有可能不返回一个 Object 数组
if (elementData.getClass() != Object[].class)
//使用 Arrays.copy 方法拷创建一个 Object 数组
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
} else {
// replace with empty array.
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}
}
2.添加元素：
public boolean add(E e) {
//对数组的容量进行调整
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
elementData[size++] = e;
return true;
}
//在指定位置添加一个元素
public void add(int index, E element) {
rangeCheckForAdd(index);
//对数组的容量进行调整
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
//整体后移一位，效率不太好啊
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
size - index);
elementData[index] = element;
size++;
}
//添加一个集合
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
//把该集合转为对象数组
Object[] a = c.toArray();
int numNew = a.length;
//增加容量
ensureCapacityInternal(size + numNew); // Increments modCount
//挨个向后迁移
System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
size += numNew;
//新数组有元素，就返回 true
return numNew != 0;
}
//在指定位置，添加一个集合
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;
//原来的数组挨个向后迁移
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew,
numMoved);
//把新的集合数组 添加到指定位置
System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);
size += numNew;
return numNew != 0;
}
虽说 System.arraycopy 是底层方法，但每次添加都后移一位还是不太好。
3.对数组的容量进行调整：
public void ensureCapacity(int minCapacity) {
int minExpand = (elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)
// 不是默认的数组，说明已经添加了元素
? 0
// 默认的容量
: DEFAULT_CAPACITY;
if (minCapacity > minExpand) {
//当前元素个数比默认容量大
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
}
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
//还没有添加元素
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
//最小容量取默认容量和 当前元素个数 最大值
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
modCount++;
// 容量不够了，需要扩容
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}
我们可以主动调用 ensureCapcity 来增加 ArrayList 对象的容量，这样就避免添加元素满了时扩容、挨个复制后移等消耗。
4.扩容：
private void grow(int minCapacity) {
int oldCapacity = elementData.length;
// 1.5 倍 原来容量
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
//如果当前容量还没达到 1.5 倍旧容量，就使用当前容量，省的站那么多地方
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
//新的容量居然超出了 MAX_ARRAY_SIZE
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
//最大容量可以是 Integer.MAX_VALUE
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
// minCapacity 一般跟元素个数 size 很接近，所以新建的数组容量为 newCapacity 更宽松些
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
if (minCapacity < 0) // overflow
throw new OutOfMemoryError();
return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
Integer.MAX_VALUE :
MAX_ARRAY_SIZE;
}
5.查询，修改等操作，直接根据角标对数组操作，都很快：
E elementData(int index) {
return (E) elementData[index];
}
//获取
public E get(int index) {
rangeCheck(index);
//直接根据数组角标返回元素，快的一比
return elementData(index);
}
//修改
public E set(int index, E element) {
rangeCheck(index);
E oldValue = elementData(index);
//直接对数组操作
elementData[index] = element;
//返回原来的值
return oldValue;
}
6.删除，还是有点慢：
//根据位置删除
public E remove(int index) {
rangeCheck(index);
modCount++;
E oldValue = elementData(index);
//挨个往前移一位
int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
numMoved);
//原数组中最后一个元素删掉
elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
return oldValue;
}
//删除某个元素
public boolean remove(Object o) {
if (o == null) {
//挨个遍历找到目标
for (int index = 0; index < size; index++)
if (elementData[index] == null) {
//快速删除
fastRemove(index);
return true;
}
} else {
for (int index = 0; index < size; index++)
if (o.equals(elementData[index])) {
fastRemove(index);
return true;
}
}
return false;
}
//内部方法，“快速删除”，就是把重复的代码移到一个方法里
//没看出来比其他 remove 哪儿快了 - -
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
}
//保留公共的
public boolean retainAll(Collection<?> c) {
Objects.requireNonNull(c);
return batchRemove(c, true);
}
//删除或者保留指定集合中的元素
private boolean batchRemove(Collection<?> c, boolean complement) {
final Object[] elementData = this.elementData;
//使用两个变量，一个负责向后扫描，一个从 0 开始，等待覆盖操作
int r = 0, w = 0;
boolean modified = false;
try {
//遍历 ArrayList 集合
for (; r < size; r++)
//如果指定集合中是否有这个元素，根据 complement 判断是否往前覆盖删除
if (c.contains(elementData[r]) == complement)
elementData[w++] = elementData[r];
} finally {
//发生了异常，直接把 r 后面的复制到 w 后面
if (r != size) {
System.arraycopy(elementData, r,
elementData, w,
size - r);
w += size - r;
}
if (w != size) {
// 清除多余的元素，clear to let GC do its work
for (int i = w; i < size; i++)
elementData[i] = null;
modCount += size - w;
size = w;
modified = true;
}
}
return modified;
}
//清楚全部
public void clear() {
modCount++;
//并没有直接使数组指向 null,而是逐个把元素置为空
//下次使用时就不用重新 new 了
for (int i = 0; i < size; i++)
elementData[i] = null;
size = 0;
}
7.判断状态：
public boolean contains(Object o) {
return indexOf(o) >= 0;
}
//遍历，第一次找到就返回
public int indexOf(Object o) {
if (o == null) {
for (int i = 0; i < size; i++)
if (elementData[i]==null)
return i;
} else {
for (int i = 0; i < size; i++)
if (o.equals(elementData[i]))
return i;
}
return -1;
}
//倒着遍历
public int lastIndexOf(Object o) {
if (o == null) {
for (int i = size-1; i >= 0; i--)
if (elementData[i]==null)
return i;
} else {
for (int i = size-1; i >= 0; i--)
if (o.equals(elementData[i]))
return i;
}
return -1;
}
8.转换成 数组：
public Object[] toArray() {
return Arrays.copyOf(elementData, size);
}
public <T> T[] toArray(T[] a) {
//如果只是要把一部分转换成数组
if (a.length < size)
// Make a new array of a's runtime type, but my contents:
return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass());
//全部元素拷贝到 数组 a
System.arraycopy(elementData, 0, a, 0, size);
if (a.length > size)
a[size] = null;
return a;
}
看下 Arrays.copyOf() 方法：
public static <T,U> T[] copyOf(U[] original, int newLength, Class<? extends T[]> newType) {
@SuppressWarnings("unchecked")
T[] copy = ((Object)newType == (Object)Object[].class)
? (T[]) new Object[newLength]
: (T[]) Array.newInstance(newType.getComponentType(), newLength);
System.arraycopy(original, 0, copy, 0,
Math.min(original.length, newLength));
return copy;
}
如果 newType 是一个对象对组，就直接把 original 的元素拷贝到 对象数组中； 否则新建一个 newType 类型的数组。
ArrayList 的内部实现
1.迭代器 Iterator, ListIterator 没什么特别，直接使用角标访问数组的元素，:
private class ListItr extends Itr implements ListIterator<E> {
ListItr(int index) {
super();
cursor = index;
}
public boolean hasPrevious() {
return cursor != 0;
}
public int nextIndex() {
return cursor;
}
public int previousIndex() {
return cursor - 1;
}
@SuppressWarnings("unchecked")
public E previous() {
checkForComodification();
int i = cursor - 1;
if (i < 0)
throw new NoSuchElementException();
Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
if (i >= elementData.length)
throw new ConcurrentModificationException();
cursor = i;
return (E) elementData[lastRet = i];
}
public void set(E e) {
if (lastRet < 0)
throw new IllegalStateException();
checkForComodification();
try {
ArrayList.this.set(lastRet, e);
} catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
public void add(E e) {
checkForComodification();
try {
int i = cursor;
ArrayList.this.add(i, e);
cursor = i + 1;
lastRet = -1;
expectedModCount = modCount;
} catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
}
在 Java 集合深入理解：AbstractList 中我们介绍了 RandomAccess，里面提到，支持 RandomAccess 的对象，遍历时使用 get 比 迭代器更快。
由于 ArrayList 继承自 RandomAccess， 而且它的迭代器都是基于 ArrayList 的方法和数组直接操作，所以遍历时 get 的效率要 >= 迭代器。
int i=0, n=list.size(); i < n; i++)
list.get(i);
比用迭代器更快：
for (Iterator i=list.iterator(); i.hasNext(); )
i.next();
另外，由于 ArrayList 不是同步的，所以在并发访问时，如果在迭代的同时有其他线程修改了 ArrayList, fail-fast 的迭代器 Iterator/ListIterator 会报 ConcurrentModificationException 错。
因此我们在并发环境下需要外部给 ArrayList 加个同步锁，或者直接在初始化时用 Collections.synchronizedList 方法进行包装：
List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList(...));
Thanks
