Java集合源码学习（二）ArrayList分析

原文地址：https://yq.aliyun.com/articles/38407?spm=5176.8091938.0.0.3G9cay

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关于ArrayList

ArrayList直接继承AbstractList，实现了List、 RandomAccess、Cloneable、Serializable接口，
为什么叫”ArrayList”，因为ArrayList内部是用一个数组存储元素值，相当于一个可变大小的数组，也就是动态数组。

继承和实现

• 继承了AbstractList，实现了List：ArrayList是一个数组队列，提供了相关的添加、删除、修改、遍历等功能。

• 实现RandmoAccess接口：即提供了随机访问功能。RandmoAccess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。

• 实现了Cloneable接口：即覆盖了函数clone()，能被克隆。
  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。

线程安全

ArrayList中的操作不是线程安全的。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。

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常用的方法

方法说明

boolean add(E e) 将指定的元素添加到此列表的尾部。void add(int index, E element) 将指定的元素插入此列表中的指定位置。 boolean addAll(Collection<? extends E> c) 按照指定 collection 的迭代器所返回的元素顺序，将该 collection 中的所有元素添加到此列表的尾部。 boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) 从指定的位置开始，将指定 collection 中的所有元素插入到此列表中。 void clear() 移除此列表中的所有元素。 Object clone() 返回此 ArrayList 实例的浅表副本。 boolean contains(Object o) 如果此列表中包含指定的元素，则返回 true。 void ensureCapacity(int minCapacity) 如有必要，增加此 ArrayList 实例的容量，以确保它至少能够容纳最小容量参数所指定的元素数。 E get(int index) 返回此列表中指定位置上的元素。 int indexOf(Object o) 返回此列表中首次出现的指定元素的索引，或如果此列表不包含元素，则返回 -1。 boolean isEmpty() 如果此列表中没有元素，则返回 true int lastIndexOf(Object o) 返回此列表中最后一次出现的指定元素的索引，或如果此列表不包含索引，则返回 -1。 E remove(int index) 移除此列表中指定位置上的元素。 boolean remove(Object o) 移除此列表中首次出现的指定元素（如果存在）。 protected void removeRange(int fromIndex, int toIndex) 移除列表中索引在 fromIndex（包括）和 toIndex（不包括）之间的所有元素。 E set(int index, E element) 用指定的元素替代此列表中指定位置上的元素。 int size() 返回此列表中的元素数。 Object[] toArray() 按适当顺序（从第一个到最后一个元素）返回包含此列表中所有元素的数组。 void trimToSize() 将此 ArrayList 实例的容量调整为列表的当前大小。应用程序可以使用此操作来最小化 ArrayList 实例的存储量。

遍历方式

1. 通过迭代器遍历。即通过Iterator去遍历
2. 随机访问，通过索引值去遍历，
   ArrayList实现了RandomAccess接口，它支持通过索引值去随机访问元素
3. for循环遍历

下面比较这3种方式的效率，代码如下：

public static void main(String[] args){        ArrayList<Object> list=new ArrayList<>();        for(int i=0;i<10000;i++){            list.add(i);        }        useIterator(list);        useRandomAccess(list);        useForeach(list);    }    public static void useIterator(List<Object> list){        Long startTime = System.currentTimeMillis();        Iterator iter = list.iterator();        while (iter.hasNext()) {            iter.next();        }        System.out.println(System.currentTimeMillis()-startTime);    }    public static void useRandomAccess(List<Object> list){        Long startTime = System.currentTimeMillis();        for (int i=0; i<list.size(); i++) {            list.get(i);            }        System.out.println(System.currentTimeMillis()-startTime);    }    public static void useForeach(List<Object> list){        Long startTime = System.currentTimeMillis();        for (Object obj:list) {                 ;        }        System.out.println(System.currentTimeMillis()-startTime);    }

结论是遍历ArrayList时，使用随机访问(即通过索引序号访问)效率最高，而使用迭代器的效率相对较低。

但经测试：在数据<100万时

随机访问的速度相对较低

但在数据为1000万时

随机访问的速度就体现出来了

源码分析

在几个常用的集合实现类中，ArrayList的实现代码是最短的，比较简单。

构造方法

ArrayList提供了三个构造方法：

//初始默认大小为10public ArrayList() {this(10);}

//可以直接设置ArrayLi的初始大小public ArrayList(int i){if (i < 0) {throw new IllegalArgumentException((new StringBuilder()).append("Illegal Capacity: ").append(i).toString());} else {elementData = new Object[i];return;}}

//使用Collettion作为参数初始化public ArrayList(Collection collection){elementData = collection.toArray();size = elementData.length;if(((Object) (elementData)).getClass() != [Ljava/lang/Object;)elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, [Ljava/lang/Object;);}；

一个是无参数的构造方法，另外一个是拥有单个参数（类型为Collettion）的构造方法。

ArrayList还提供了第三个构造方法，其接受一个int值，用于设置ArrayLi的初始大小（默认大小为10）。

数据结构

private transient Object elementData[];private int size;

ArrayList内部维护了一个Object数组，可以通过构造函数 ArrayList(int initialCapacity)来执行它的初始容量为initialCapacity；如果通过不含参数的构造函数ArrayList()来创建ArrayList，则elementData的容量默认是10。elementData数组的大小会根据ArrayList容量的增长而动态的增长，size 则是动态数组的实际大小。

ArrayList扩容机制

lenght=(lenght*3)/2+1;

/**     * 确保ArrayList的大小     * @Title: ensureCapacity     * @param i     */    public void ensureCapacity(int i) {        modCount++;        int j = elementData.length;        if (i > j) {            Object aobj[] = elementData;            int k = (j * 3) / 2 + 1;            if (k < i)                k = i;            elementData = Arrays.copyOf(elementData, k);        }    }

elementData[]为什么使用 transient 修饰？

被transient（）定义的变量不可序列化，但是注意ArrayList同时实现了Serializable接口接口，这是为什么?
主要是为了提高序列化时的效率。

序列化有2种方式：
1. 只是实现了Serializable接口。
序列化时，调用java.io.ObjectOutputStream的defaultWriteObject方法，将对象序列化。
注意：此时transient修饰的字段，不会被序列化。
2. 实现了Serializable接口，同时提供了writeObject方法。
序列化时，会调用该类的writeObject方法。而不是java.io.ObjectOutputStream的defaultWriteObject方法。
注意：此时transient修饰的字段，是否会被序列化，取决于writeObject。

假如现在实际有了5个元素，而elementData的大小可能是10，那么在序列化时只需要储存5个元素，数组中的最后五个元素是没有实际意义的，不需要储存。
所以ArrayList的设计者将elementData设计为transient，然后在writeObject方法中手动将其序列化，并且只序列化了实际存储的那些元素，而不是整个数组。

源码注释

/**     * 使用一个Collection进行构造     * Arraylist中大量使用了Arrays的相关方法     */    public ArrayList(Collection collection)    {        elementData = collection.toArray();        size = elementData.length;        if((Object) (elementData).getClass() != Object.class){            elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, (elementData).getClass());        }    }    /**     * 如果当前数组的容量大于数组实际存储的数据元素数量，重新调整数组大小     * 用于把ArrayList的容量缩减到当前实际大小，减少存储容量。     * 其中的变量modCount由AbstracList继承而来，记录List发生结构化修改（structurally modified）的次数。     * @Title: trimToSize     */    public void trimToSize() {        modCount++;        int i = elementData.length;        if (size < i)            elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);    }/**     * 确保ArrayList的大小     * @Title: ensureCapacity     * @param i     */    public void ensureCapacity(int i) {        modCount++;        int j = elementData.length;        if (i > j) {            Object aobj[] = elementData;            int k = (j * 3) / 2 + 1;            if (k < i)                k = i;            elementData = Arrays.copyOf(elementData, k);        }    }/**     * 返回指定元素的下标，要区分参数是否为null     * 注意ArrayList可以是可以存储null的     */    public int indexOf(Object obj) {        if (obj == null) {            for (int i = 0; i < size; i++)                if (elementData[i] == null)                    return i;        } else {            for (int j = 0; j < size; j++)                if (obj.equals(elementData[j]))                    return j;        }        return -1;    }/**     * 使用了系统的System.arraycopy方法     * 这是一个native的方法     */    public Object[] toArray(Object aobj[]) {        if (aobj.length < size)            return (Object[]) Arrays.copyOf(elementData, size,(aobj).getClass());        System.arraycopy(((Object) (elementData)), 0, ((Object) (aobj)), 0,                size);        if (aobj.length > size)            aobj[size] = null;        return aobj;    }/**     * 和序列化以及transient的处理有关系     */    private void writeObject(ObjectOutputStream objectoutputstream)            throws IOException {        int i = modCount;        objectoutputstream.defaultWriteObject();        objectoutputstream.writeInt(elementData.length);        for (int j = 0; j < size; j++)            objectoutputstream.writeObject(elementData[j]);        if (modCount != i)            throw new ConcurrentModificationException();        else            return;    }

总结

在Java中应用静态数组很容易发生一些错误，相比较来说，ArrayList可以动态的增加和减少元素，灵活的设置数组的大小，提供了多种遍历方式，在设计时就尽可能的考虑了性能，大多数工程开发中数组都会使用ArrayList。