Java集合-ArrayList源码解析-JDK1.8

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集合

◆
ArrayList简介
◆

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。

AbstractList、List提供了添加、删除、修改、遍历等功能。
RandmoAccess提供了随机访问功能
Cloneable提供了可以被克隆的功能
Serializable提供了序列化的功能
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CopyOnWriteArrayList。

◆
ArrayList的属性
◆

/**
 * 数组默认的大小
 */
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

/**
 * 使用数组大小为0时的默认缓冲区
 */
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

/**
 * 使用ArrayList(int initialCapacity)构造方法时且initialCapacity为0时缓冲区
 */
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

/**
 * 真实存储arraylist元素的数组缓冲区
 */
transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access

/**
 * List的实际大小
 */
private int size;
/**
 * 数组可分配的最大大小
 */
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
 /**
 *  特别注意这个是继承自AbstractList的属性，用来记录List被修改的次数
 */
protected transient int modCount = 0;

◆
ArrayList的构造方法
◆

 /**
 * 无参构造方法，初始化elementData
 */
public ArrayList() {
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

/**
 * 根据参数构建具有初始大小的构造方法
 */
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);
    }
}
/**
 * 创建一个包含collection的ArrayList
 */
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;
    }
}

◆
ArrayList的方法
◆

接下来我们就以ArrayList的几个比较经典的方法来看一下它是如何设计的。

首先是添加方法，添加的方法一共有3个：

/**
    * 添加元素
    */
   public boolean add(E e) {
       //计算数组最新的容量，以及判断是否需要扩容
       ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
       elementData[size++] = e;
       return true;
   }

   /**
    * 指定索引添加元素
    */
   public void add(int index, E element) {
       //判断索引是否越界
       rangeCheckForAdd(index);
       //计算数组最新的容量，以及判断是否需要扩容
       ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
       //调用系统底层的复制方法
       System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
               size - index);
       elementData[index] = element;
       //List长度+1
       size++;
   }
    /**
    * 添加一个集合
    */
   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;
   }

仔细观察上方三个添加的方法，它们都调用了ensureCapacityInternal方法，这个方法的参数是执行当前添加操作所需要的数组容量。它会根据传递的参数来计算数组是否需要扩容，如果需要扩容则完成扩容操作。
不同之处在于，上方的两个方法添加的只有一个元素，所以传的size+1，而addAll因为是添加的一个集合所以传的参数是size+集合的长度。

接着看这个方法的实现：

/**
    * 计算数组最新的容量
    * @param minCapacity
    */
   private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
       //如果创建ArrayList时指定大小为0
       if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
           //如果本次添加的大小比初始容量10大的话则不使用默认的容量10，直接使用本次添加的大小作为初始容量
           minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
       }

       ensureExplicitCapacity(minCapacity);
   }

   /**
    * 记录修改次数，调用扩容方法
    * @param minCapacity
    */
   private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
       modCount++;

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

   /**
    * 扩容
    */
   private void grow(int minCapacity) {
       // 获取原来的数组长度
       int oldCapacity = elementData.length;
       //新容量设置为老容量的1.5倍
       int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
       //如果新容量还不够存放本次需要添加的大小，则直接扩容到本次添加的大小
       if (newCapacity - minCapacity < 0)
           newCapacity = minCapacity;
       //如果新容量超出数组最大容量
       if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
           newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
       // 调用Arrays的复制方法更新数据缓冲池
       elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
   }
     //判断容量是否溢出
   private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
       if (minCapacity < 0) // overflow
           throw new OutOfMemoryError();
       return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
               Integer.MAX_VALUE :
               MAX_ARRAY_SIZE;
   }

以上就是ArrayList动态扩容的实现方式了，这里注意一下扩容是通过新建一个数组来替换原先的数组来进行的：

1	elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);

接下来看删除操作：

/**
    * 遍历数组，找出需要删除的元素的索引，并调用删除方法
    */
   public boolean remove(Object o) {
       if (o == null) {
           for (int index = 0; index < size; index++)
               if (elementData[index] == null) {
                   //具体删除方法
                   fastRemove(index);
                   return true;
               }
       } else {
           for (int index = 0; index < size; index++)
               if (o.equals(elementData[index])) {
                   fastRemove(index);
                   return true;
               }
       }
       return false;
   }
/**
    * 删除指定索引的元素
    *
    */
   public E remove(int index) {
       //判断是否越界
       rangeCheck(index);
       //记录修改次数
       modCount++;
       E oldValue = elementData(index);
       //计算需要移动的位置
       int numMoved = size - index - 1;
       if (numMoved > 0)
           //使用系统底层方法移动数组，将需要删除的元素放到数组最后
           System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                   numMoved);
       //数组长度减一，删除数组最后一个位置的元素
       elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work

       return oldValue;
   }
   /*
    * 删除指定元素
    */
   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
   }

需要注意的是删除一个元素也是通过底层的方法实现的。

接着看get和set相对就比较简单了。

public E get(int index) {
       //判断索引是否越界
       rangeCheck(index);
       return elementData(index);
   }
    /**
    * 判断索引是否越界
    */
   private void rangeCheck(int index) {
       if (index >= size)
           throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
   }
   public E set(int index, E element) {
       //判断索引是否越界
       rangeCheck(index);
       //获取此索引原先的值
       E oldValue = elementData(index);
       elementData[index] = element;
       return oldValue;
   }

看了ArrayList的增删改查方法相信你已经明白了为什么一直有人告诉你ArrayList查询修改效率高而添加和删除效率低了。

ArrayList的序列化方式同样是比较有意思的，一开始看到ArrayList实现了Serializable我们就知道它是可以序列化的，但是实际存储的数组elementData却是transient，观看下方代码你就可以找到答案：

/**
   * 将List写入s，注意先写容量，然后在写数据
   * @param s
   * @throws java.io.IOException
   */
  private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
          throws java.io.IOException{
      // Write out element count, and any hidden stuff
      int expectedModCount = modCount;
      s.defaultWriteObject();

      // 首先写数组容量
      s.writeInt(size);

      // 遍历写数组中的元素
      for (int i=0; i<size; i++) {
          s.writeObject(elementData[i]);
      }

      if (modCount != expectedModCount) {
          throw new ConcurrentModificationException();
      }
  }

  /**
   * 读取s中的List
   */
  private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
          throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
      elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;

      // Read in size, and any hidden stuff
      s.defaultReadObject();

      // 首先读数组容量
      s.readInt(); // ignored

      if (size > 0) {
          // be like clone(), allocate array based upon size not capacity
          ensureCapacityInternal(size);

          Object[] a = elementData;
          // Read in all elements in the proper order.
          for (int i=0; i<size; i++) {
              a[i] = s.readObject();
          }
      }
  }