【Java深入】ArrayList源码剖析（一）
来源：互联网 发布：淘宝查询别人购买记录 编辑：程序博客网 时间：2024/06/06 00:40
一、ArrayList概述
1.实现原理
ArrayList是基于数组实现的，是一个动态数组，其容量能自动增长，类似于C语言中的动态申请内存，动态增长内存。允许重复，默认第一次插入元素时创建数组的大小为10，超出限制时会增加50%的容量，每次扩容都底层采用System.arrayCopy()复制到新的数组，初始化时最好能给出数组大小的预估值。
2.扩容：
每个ArrayList实例都有一个容量，该容量是指用来存储列表元素的数组的大小。它总是至少等于列表的大小。随着向ArrayList中不断添加元素，其容量也自动增长。自动增长会带来数据向新数组的重新拷贝，因此，如果可预知数据量的多少，可在构造ArrayList时指定其容量。在添加大量元素前，应用程序也可以使用ensureCapacity操作来增加ArrayList实例的容量，这可以减少递增式再分配的数量。
3.同步性：
ArrayList的用法和Vector相类似，但是Vector是一个较老的集合，具有很多缺点，不建议使用。它们的区别是：ArrayList是线程不安全的，当多条线程访问同一个ArrayList集合时，程序需要手动保证该集合的同步性，所以只能用在单线程环境下，多线程环境下可以考虑用Collections.synchronizedList(List l)函数返回一个线程安全的ArrayList类，也可以使用concurrent并发包下的CopyOnWriteArrayList类。而Vector则是线程安全的。
4.序列化
ArrayList实现了Serializable接口，因此它支持序列化，能够通过序列化传输，实现了RandomAccess接口，支持快速随机访问，实际上就是通过下标序号进行快速访问，实现了Cloneable接口，能被克隆。
二、源码剖析（JDK8）
1.类的继承关系
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable分析：ArrayList支持泛型，它继承自AbstractList类，实现了List、RandomAccess、Cloneable、Java.io.Serializable接口。AbstractList提供了List接口的默认实现（个别方法为抽象方法）。RandomAccess是一个标记接口，接口内没有定义任何内容。对于Cloneable接口，可以调用Object.clone方法返回该对象的浅拷贝。通过实现 java.io.Serializable 接口以启用其序列化功能。未实现此接口的类将无法使其任何状态序列化或反序列化。序列化接口没有方法或字段，仅用于标识可序列化的语义。
类关系图解：
注：绿色虚线表示实现的接口，黄色实线表示继承的类，绿色实线表示接口间的继承。
2.类的属性
//序列号 private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L; //默认容量 private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10; //一个空数组,当指定ArrayList 容量为 0 时，返回该空数组 private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {}; //一个空数组实例,当没有指定 ArrayList 的容量时(即调用无参构造函数)，返回的是该数组,数据量为 0, //当用户第一次添加元素时，该数组将会扩容，变成默认容量为10的一个数组,通过 ensureCapacityInternal() 实现 private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {}; //用该数组保存数据, 该数组的长度就是ArrayList 的容量 transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access //ArrayList实际存储的数据数量 private int size; //数组缓冲区最大存储容量，若尝试分配这个最大存储容量，可能会导致 OutOfMemoryError(当该值 > VM 的限制时) private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8; 说明：DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA与 EMPTY_ELEMENTDATA 的区别就是：前者是默认返回的，而后者是在用户指定容量为 0 时返回。
注：ArrayList只定义了两个私有属性：elementData和size，其中elementData用于存储ArrayList内的元素，而size表示它包含的元素的数量。
3.类的构造器
（1） ArrayList ( int ) 类型构造器
//带初始容量大小的构造函数 public ArrayList(int initialCapacity) { //若初始容量大于0,实例化数组 if (initialCapacity > 0) { this.elementData = new Object[initialCapacity]; } //若初始量等于0，将空数组赋给elementData else if (initialCapacity == 0) { this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA; } //若初始容量小于0，则抛出异常 else { throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+ initialCapacity); } }（2）ArrayList（）无参构造器
//默认容量为10public ArrayList(){ this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;}（3）ArrayList(Collection< ? extends E > c)类型构造器
//创建一个包含collection的ArrayList public ArrayList(Collection<? extends E> c) { //集合转 Object[] 数组 elementData = c.toArray(); //将转换后的 Object[] 长度赋值给当前 ArrayList 的 size，并判断是否为 0 if ((size = elementData.length) != 0) { if (elementData.getClass() != Object[].class) // 若 c.toArray() 返回的数组类型不是 Object[]，则利用copyof方法创建一个Object[] 数组 elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class); } else { //c中没有元素，则换为空数组 this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA; } }其中Arrays.copyOf()方法的源码如下：
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; }分析：如果newType类型为Object[].class的话，则直接创建一个长度为newLength的Object数组，否则使用Array.newInstance(Class< ?> componentType, int length)方法创建一个元素类型为newType.getComponentType() （该方法返回数组中元素的类型）类型的，长度为newLength的数组，这是一个native方法，然后使用System.arraycopy() 这个native方法将original数组中的元素copy到新创建的数组中，并返回该数组。
4.类的方法
（1）trimToSize方法（将当前容量值设为当前实际元素大小）
//该方法手动调用，以减少空间资源浪费的目的 public void trimToSize() { // modCount(用于记录结构性变化次数)是 AbstractList 的属性值(protected transient int modCount = 0) modCount++; // 当实际大小 < 数组缓冲区大小时 // 如调用默认构造函数后，刚添加一个元素，此时 elementData.length = 10，而 size = 1 // 通过这一步，可以使得空间得到有效利用，而不会出现资源浪费的情况 if (size < elementData.length) { // 调整数组缓冲区 elementData，变为实际存储大小 Arrays.copyOf(elementData, size) elementData = (size == 0) ? EMPTY_ELEMENTDATA : Arrays.copyOf(elementData, size); } }（2）ensureCapacity方法（指定 ArrayList 的容量）
public void ensureCapacity(int minCapacity) { // 最小扩充容量，默认是 10 int minExpand = (elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) ? 0 : DEFAULT_CAPACITY; // 若用户指定的最小容量 > 最小扩充容量，则以用户指定的为准，否则还是 10 if (minCapacity > minExpand) { ensureExplicitCapacity(minCapacity); } }注：ensureCapacity() 是提供给用户使用的方法，在 ArrayList 的实现中并没有使用
（3）ensureCapacityInternal方法（确定ArrarList 的容量）
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) { // 若 elementData == {}，则取 minCapacity 为 默认容量和参数 minCapacity 之间的最大值 if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) { minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity); } ensureExplicitCapacity(minCapacity); }注：该方法用于内部优化，保证空间资源不被浪费：尤其在 add() 方法添加时起效
（4）ensureExplicitCapacity方法（明确 ArrayList 的容量 ）
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) { // 将“修改统计数”+1，该变量主要是用来实现fail-fast机制的 modCount++; // 防止溢出代码：确保指定的最小容量 > 数组缓冲区当前的长度 if (minCapacity - elementData.length > 0) grow(minCapacity); }注：该方法与ensureCapacityInternal方法类似，用于内部优化，保证空间资源不被浪费：尤其在 add() 方法添加时起效 。
（5）grow方法（用来扩容）
private void grow(int minCapacity) { // 防止溢出代码 int oldCapacity = elementData.length; // 扩容为原来的1.5倍 int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); if (newCapacity - minCapacity < 0) newCapacity = minCapacity; // 若 newCapacity 大于最大存储容量，则进行大容量分配 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); }注：该方法确保 ArrayList 至少能存储 minCapacity 个元素，扩容计算：newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1)，其中运算符 >> 是带符号右移.
其中大容量分配的hugeCapacity方法源码为：
private static int hugeCapacity(int minCapacity) { if (minCapacity < 0) // overflow throw new OutOfMemoryError(); return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ? Integer.MAX_VALUE : MAX_ARRAY_SIZE; } （6）size方法（获取该 list 所实际存储的元素个数）
public int size() { return size; }（7）isEmpty方法（判断 list 是否为空 ）
public boolean isEmpty() { // 利用size 是否为 0来判断list是否为空 return size == 0; } （8）contains方法（判断该 ArrayList 是否包含指定对象(Object 类型)）
public boolean contains(Object o) { // 由索引值判断，大于等于 0 就返回true return indexOf(o) >= 0; }注意：该方法是面对抽象编程，向上转型是安全的，索引号是从 0 开始计数的
（9）indexOf方法（返回元素最先出现的索引位置）
public int indexOf(Object o) { if (o == null) { // 顺序查找数组缓冲区 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; }注意：元素可以为 null，空值也可以作为元素放入 ArrayList；Arrays 工具类提供了二分搜索，但没有提供顺序查找
（10）lastIndexOf方法（ 返回此列表中最后一次出现的指定元素的索引 ）
public int lastIndexOf(Object o) { if (o == null) { // 逆序查找 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; }注：此方法为反向查找(从数组末尾向开始查找)
（11）clone方法（深拷贝）
public Object clone() { try { //调用Object 的克隆方法 ArrayList<?> v = (ArrayList<?>) super.clone(); // 对需要进行复制的引用变量，进行独立的拷贝：将存储的元素移入新的 ArrayList 中 v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, size); v.modCount = 0; return v; } catch (CloneNotSupportedException e) { throw new InternalError(e); } }注：此克隆方法（深拷贝）对拷贝出来的 ArrayList 对象的操作，不会影响原来的 ArrayList，而Object 的克隆方法（浅拷贝）：会复制本对象及其内所有基本类型成员和 String 类型成员，但不会复制对象成员、引用对象。
若你不了解深拷贝与浅拷贝，请点击 深拷贝与浅拷贝详解
（12）toArray方法
- 无参（返回 ArrayList 的 Object 数组 ）
public Object[] toArray() { return Arrays.copyOf(elementData, size); }注：对返回的该数组进行操作，不会影响该 ArrayList（相当于分配了一个新的数组），该操作是安全的，元素存储顺序与 ArrayList 中的一致。
- 带参数（返回 ArrayList 元素组成的数组 ）
@SuppressWarnings("unchecked") public <T> T[] toArray(T[] a) { // 若数组a的大小 < ArrayList的元素个数,则新建一个T[]数组，数组大小是"ArrayList的元素个数",并将“ArrayList”全部拷贝到新数组中 if (a.length < size) return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass()); // 若数组a的大小 >= ArrayList的元素个数,则将ArrayList的全部元素都拷贝到数组a中。 System.arraycopy(elementData, 0, a, 0, size); if (a.length > size) a[size] = null; return a; }注：若 a 中本来存储有元素，则 a 会被 list 的元素覆盖，且 a[list.size] = null
（13）elementData方法（返回在索引为 index 的元素）
@SuppressWarnings("unchecked") E elementData(int index) { return (E) elementData[index]; }（14）get方法（获取指定位置的元素）
public E get(int index) { // 检查是否越界 rangeCheck(index); // 随机访问 return elementData(index); } 其中rangeCheck方法源码如下：
private void rangeCheck(int index) { if (index >= size) throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index)); }注：rangeCheck方法并没有检查 index 是否合法，例如：当 index< 0
通常由数组类型自己检查。
（15）set方法（设置 index 位置元素的值）
public E set(int index, E element) { // 数组越界检查 rangeCheck(index); // 取出旧值 E oldValue = elementData(index); // 替换成新值 elementData[index] = element; return oldValue; }。。。。。。
注：由于篇幅有限，其余方法的源码剖析请参考下一篇博文
本人才疏学浅，若有错，请指出
谢谢！
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