Java类集框架之ArrayList源码剖析

ArrayList

基于数组实现，本质上是对象引用的一个变长数组，能够动态的增加或减小其大小。

不是线程安全的，只能用在单线程环境下。多线程环境下可以考虑用Collection.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

下面直接贴ArrayList的Java实现，来源JDK1.8.0_25/src.zip。

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable{//实现了RandomAccess接口，支持快速随机访问//实现了Cloneable接口，能够被克隆//实现了Serializable接口，支持序列化   private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;//序列版本号   private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;//默认初始容量   private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};//空数组   private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};//默认空数组   transient Object[] elementData; // 不会被序列化   private int size;//ArrayList实际元素容量   //构造函数1---带容量大小的构造函数   public ArrayList(int initialCapacity) {       if (initialCapacity > 0) {           this.elementData = new Object[initialCapacity];//指定大小数组       } else if (initialCapacity == 0) {           this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;       } else {           throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+                                              initialCapacity);       }   }   //构造函数2---无参构造函数,不指定大小时，默认构造大小为10的数组   public ArrayList() {       this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;   }   //构造函数3---构造一个包含指定collection元素的列表，这些元素是按collection迭代器返回他们的顺序排列的   public ArrayList(Collection<? extends E> c) {       elementData = c.toArray();       if ((size = elementData.length) != 0) {           // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)       //http://bugs.java.com/bugdatabase/view_bug.do?bug_id=6260652   可查看bug库           if (elementData.getClass() != Object[].class)               elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);       } else {           // replace with empty array.           this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;       }   }   //将当前容量设为实际容量   public void trimToSize() {       modCount++;//fast-fail机制,访问中如果修改集合会抛出 ConcurrentModificationException 异常       if (size < elementData.length) {           elementData = (size == 0)? EMPTY_ELEMENTDATA: Arrays.copyOf(elementData, size);       }   }   //增加容量为minCapacity   public void ensureCapacity(int minCapacity) {       int minExpand = (elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)?0: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;//可分配的最大容量   //每次重新分配内存时，新的容量为旧的1.5倍     //但是如果分配后超过可以分配的内存范围分配Integer.MAX_VALUE大小 ,则比较要分配的和最大可分配的容量大小,如果大于分配Integer.MAX_VALUE，如果小于，分配最大容量大小   private void grow(int minCapacity) {       // overflow-conscious code       int oldCapacity = elementData.length;       int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);//设置新的容量 = 原始容量*1.5       if (newCapacity - minCapacity < 0)//增加的容量不够           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);   }   private static int hugeCapacity(int minCapacity) {       if (minCapacity < 0) // overflow           throw new OutOfMemoryError();       return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?           Integer.MAX_VALUE :           MAX_ARRAY_SIZE;   }   public int size() {       return size;   }   //是否为空   public boolean isEmpty() {       return size == 0;   }   //是否包含指定元素o   public boolean contains(Object o) {       return indexOf(o) >= 0;   }   //返回指定元素位置，若没有返回-1,查找的元素容许为null   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;   }   //返回最后一次出现的位置，若没有返回-1   public int lastIndexOf(Object o) {       if (o == null) {           for (int i = size-1; i >= 0; i--)//从后往前查找               if (elementData[i]==null)                   return i;       } else {           for (int i = size-1; i >= 0; i--)               if (o.equals(elementData[i]))                   return i;       }       return -1;   }   //克隆函数   public Object clone() {       try {           ArrayList<?> v = (ArrayList<?>) super.clone();           v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);           v.modCount = 0;           return v;       } catch (CloneNotSupportedException e) {           // this shouldn't happen, since we are Cloneable           throw new InternalError(e);       }   }   public Object[] toArray() {       return Arrays.copyOf(elementData, size);   }   @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;   }   // Positional Access Operations   @SuppressWarnings("unchecked")   E elementData(int index) {       return (E) elementData[index];   }   /**    * Returns the element at the specified position in this list.    *    * @param  index index of the element to return    * @return the element at the specified position in this list    * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}    */   public E get(int index) {       rangeCheck(index);       return elementData(index);   }   public E set(int index, E element) {       rangeCheck(index);       E oldValue = elementData(index);       elementData[index] = element;       return oldValue;   }   public boolean add(E e) {       ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!       elementData[size++] = e;       return true;   }//指定位置添加元素，原来位置元素并没有消失，只是后移了一位,即将当前位于该位置的元素以及所有后续元素右移一个位置。     public void add(int index, E element) {       rangeCheckForAdd(index);       ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!       //将 elementData中从Index位置开始、长度为size-index的元素，拷贝到从下标为index+1位置开始的新的elementData数组中       System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,                        size - index);       elementData[index] = element;       size++;   }   //去除指定位置元素,该位置后所有元素前移一位   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;   }   //移除列表首次出现的指定元素,如果不存在返回false   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;   }   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   }   public void clear() {       modCount++;       // clear to let GC do its work       for (int i = 0; i < size; i++)           elementData[i] = null;       size = 0;   }   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;   }   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;   }   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;   }

构造方法：

ArrayList的构造方法有3种，参数可以指定容量大小，可以为空（此时会构造一个默认大小为10的空数组），也可以由集合c中的元素来初始化一个数组。

容量增长方法：

关于ArrayList的容量增长方法可以见grow()。ArrayList在每次增加元素时，都要间接调用该方法来确保容量。可分配最大容量为MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8

但是实际最大分配容量可能为 Integer.MAX_VALUE。

在增加元素的过程中，如果当前容量不足以容纳元素，就设置为新的容量为旧的容量的1.5倍左右，以前版本是

newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1; 

JDK1.8采用的方法是:

newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);

主要是移位操作比乘法除法更快一些

如果扩容后的新容量依然不够，则直接设置新容量为传入的参数（minCapacity）。如果扩容后新的容量比容许的最大容量MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8还要大，则不管满不满足要求，设置容量为Integer.MAX_VALUE，这也是前面说容许最大分配容量为MAX_ARRAY_SIZE，但是实际最大分配容量可能为 Integer.MAX_VALUE的原因了。当然，最小分配的容量为默认容量10，即使指定分配容量小于10，也会分配容量10，

说明：

查找元素时，可以查找null元素索引，从源码中可以看到，查找元素时，是区分null和非null的

必须说明的是：扩容后，还要将原来的元素拷贝到一个新的数组中，非常的耗时，因此建议在事先知道元素数量的情况下，才使用ArrayList，否则建议使用LinkedList

ArrayList基于数组实现，那么可以通过下标索引直接查找指定位置的元素，因此查找效率高，但是在插入和删除元素的过程中，要大量移动元素，效率很低。