`

深入Java集合学习系列：ArrayList的实现原理

java core 
阅读更多

1. ArrayList概述：

ArrayList是List接口的可变数组的实现。实现了所有可选列表操作，并允许包括 null 在内的所有元素。除了实现 List 接口外，此类还提供一些方法来操作内部用来存储列表的数组的大小。
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。
注意，此实现不是同步的。如果多个线程同时访问一个ArrayList实例，而其中至少一个线程从结构上修改了列表，那么它必须保持外部同步。

 

2. ArrayList的实现：

对于ArrayList而言，它实现List接口、底层使用数组保存所有元素。其操作基本上是对数组的操作。下面我们来分析ArrayList的源代码：

1) 底层使用数组实现：

Java代码 复制代码 收藏代码
  1. privatetransient Object[] elementData; 
private transient Object[] elementData;

2) 构造方法：
ArrayList提供了三种方式的构造器，可以构造一个默认初始容量为10的空列表、构造一个指定初始容量的空列表以及构造一个包含指定collection的元素的列表，这些元素按照该collection的迭代器返回它们的顺序排列的。

Java代码 复制代码 收藏代码
  1. public ArrayList() {
  2. this(10);
  3. }
  5. public ArrayList(int initialCapacity) {
  6. super();
  7. if (initialCapacity < 0)
  8. thrownew IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+ initialCapacity);
  9. this.elementData = new Object[initialCapacity];
  10. }
  12. public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
  13. elementData = c.toArray();
  14. size = elementData.length;
  15. // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
  16. if (elementData.getClass() != Object[].class)
  17. elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
  18. } 
public ArrayList() {
    this(10);
}

public ArrayList(int initialCapacity) {
    super();
    if (initialCapacity < 0)
        throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+ initialCapacity);
    this.elementData = new Object[initialCapacity];
}

public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
    elementData = c.toArray();
    size = elementData.length;
    // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
    if (elementData.getClass() != Object[].class)
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
}

3) 存储：
ArrayList提供了set(int index, E element)、add(E e)、add(int index, E element)、addAll(Collection<? extends E> c)、addAll(int index, Collection<? extends E> c)这些添加元素的方法。下面我们一一讲解：

Java代码 复制代码 收藏代码
  1. // 用指定的元素替代此列表中指定位置上的元素，并返回以前位于该位置上的元素。
  2. public E set(int index, E element) {
  3. RangeCheck(index);
  5. E oldValue = (E) elementData[index];
  6. elementData[index] = element;
  7. return oldValue;
  8. } 
// 用指定的元素替代此列表中指定位置上的元素，并返回以前位于该位置上的元素。
public E set(int index, E element) {
    RangeCheck(index);

    E oldValue = (E) elementData[index];
    elementData[index] = element;
    return oldValue;
}
Java代码 复制代码 收藏代码
  1. // 将指定的元素添加到此列表的尾部。
  2. publicboolean add(E e) {
  3. ensureCapacity(size + 1);
  4. elementData[size++] = e;
  5. returntrue;
  6. } 
// 将指定的元素添加到此列表的尾部。
public boolean add(E e) {
    ensureCapacity(size + 1); 
    elementData[size++] = e;
    return true;
}
Java代码 复制代码 收藏代码
  1. // 将指定的元素插入此列表中的指定位置。
  2. // 如果当前位置有元素，则向右移动当前位于该位置的元素以及所有后续元素（将其索引加1）。
  3. publicvoid add(int index, E element) {
  4. if (index > size || index < 0)
  5. thrownew IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+", Size: "+size);
  6. // 如果数组长度不足，将进行扩容。
  7. ensureCapacity(size+1); // Increments modCount!!
  8. // 将 elementData中从Index位置开始、长度为size-index的元素，
  9. // 拷贝到从下标为index+1位置开始的新的elementData数组中。
  10. // 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。
  11. System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index);
  12. elementData[index] = element;
  13. size++;
  14. } 
// 将指定的元素插入此列表中的指定位置。
// 如果当前位置有元素，则向右移动当前位于该位置的元素以及所有后续元素（将其索引加1）。
public void add(int index, E element) {
    if (index > size || index < 0)
        throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+", Size: "+size);
    // 如果数组长度不足，将进行扩容。
    ensureCapacity(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。
    // 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。
    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index);
    elementData[index] = element;
    size++;
}
Java代码 复制代码 收藏代码
  1. // 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。
  2. publicboolean addAll(Collection<? extends E> c) {
  3. Object[] a = c.toArray();
  4. int numNew = a.length;
  5. ensureCapacity(size + numNew); // Increments modCount
  6. System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
  7. size += numNew;
  8. return numNew != 0;
  9. } 
// 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。
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
    Object[] a = c.toArray();
    int numNew = a.length;
    ensureCapacity(size + numNew);  // Increments modCount
    System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
    size += numNew;
    return numNew != 0;
}
Java代码 复制代码 收藏代码
  1. // 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。
  2. publicboolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
  3. if (index > size || index < 0)
  4. thrownew IndexOutOfBoundsException(
  5. "Index: " + index + ", Size: " + size);
  7. Object[] a = c.toArray();
  8. int numNew = a.length;
  9. ensureCapacity(size + numNew); // Increments modCount
  11. int numMoved = size - index;
  12. if (numMoved > 0)
  13. System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew, numMoved);
  15. System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);
  16. size += numNew;
  17. return numNew != 0;
  18. } 
// 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。
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
    if (index > size || index < 0)
        throw new IndexOutOfBoundsException(
            "Index: " + index + ", Size: " + size);

    Object[] a = c.toArray();
    int numNew = a.length;
    ensureCapacity(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;
}

4) 读取：

Java代码 复制代码 收藏代码
  1. // 返回此列表中指定位置上的元素。
  2. public E get(int index) {
  3. RangeCheck(index);
  5. return (E) elementData[index];
  6. } 
// 返回此列表中指定位置上的元素。
public E get(int index) {
    RangeCheck(index);

    return (E) elementData[index];
}

5) 删除：
ArrayList提供了根据下标或者指定对象两种方式的删除功能。如下：

Java代码 复制代码 收藏代码
  1. // 移除此列表中指定位置上的元素。
  2. public E remove(int index) {
  3. RangeCheck(index);
  5. modCount++;
  6. E oldValue = (E) elementData[index];
  8. int numMoved = size - index - 1;
  9. if (numMoved > 0)
  10. System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
  11. elementData[--size] = null; // Let gc do its work
  13. return oldValue;
  14. } 
// 移除此列表中指定位置上的元素。
public E remove(int index) {
    RangeCheck(index);

    modCount++;
    E oldValue = (E) elementData[index];

    int numMoved = size - index - 1;
    if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
    elementData[--size] = null; // Let gc do its work

    return oldValue;
}
Java代码 复制代码 收藏代码
  1. // 移除此列表中首次出现的指定元素（如果存在）。这是应为ArrayList中允许存放重复的元素。
  2. publicboolean remove(Object o) {
  3. // 由于ArrayList中允许存放null，因此下面通过两种情况来分别处理。
  4. if (o == null) {
  5. for (int index = 0; index < size; index++)
  6. if (elementData[index] == null) {
  7. // 类似remove(int index)，移除列表中指定位置上的元素。
  8. fastRemove(index);
  9. returntrue;
  10. }
  11. } else {
  12. for (int index = 0; index < size; index++)
  13. if (o.equals(elementData[index])) {
  14. fastRemove(index);
  15. returntrue;
  16. }
  17. }
  18. returnfalse;
  19. } 
// 移除此列表中首次出现的指定元素（如果存在）。这是应为ArrayList中允许存放重复的元素。
public boolean remove(Object o) {
    // 由于ArrayList中允许存放null，因此下面通过两种情况来分别处理。
    if (o == null) {
        for (int index = 0; index < size; index++)
            if (elementData[index] == null) {
                // 类似remove(int index)，移除列表中指定位置上的元素。
                fastRemove(index);
                return true;
            }
} else {
    for (int index = 0; index < size; index++)
        if (o.equals(elementData[index])) {
            fastRemove(index);
            return true;
        }
    }
    return false;
}

注意：从数组中移除元素的操作，也会导致被移除的元素以后的所有元素的向左移动一个位置。
6) 调整数组容量：
从上面介绍的向ArrayList中存储元素的代码中，我们看到，每当向数组中添加元素时，都要去检查添加后元素的个数是否会超出当前数组的长度，如果超出，数组将会进行扩容，以满足添加数据的需求。数组扩容通过一个公开的方法ensureCapacity(int minCapacity)来实现。在实际添加大量元素前，我也可以使用ensureCapacity来手动增加ArrayList实例的容量，以减少递增式再分配的数量。

Java代码 复制代码 收藏代码
  1. publicvoid ensureCapacity(int minCapacity) {
  2. modCount++;
  3. int oldCapacity = elementData.length;
  4. if (minCapacity > oldCapacity) {
  5. Object oldData[] = elementData;
  6. int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1;
  7. if (newCapacity < minCapacity)
  8. newCapacity = minCapacity;
  9. // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
  10. elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
  11. }
  12. } 
public void ensureCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;
    int oldCapacity = elementData.length;
    if (minCapacity > oldCapacity) {
        Object oldData[] = elementData;
        int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1;
            if (newCapacity < minCapacity)
                newCapacity = minCapacity;
      // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
      elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }
}

从上述代码中可以看出，数组进行扩容时，会将老数组中的元素重新拷贝一份到新的数组中，每次数组容量的增长大约是其原容量的1.5倍。这种操作的代价是很高的，因此在实际使用时，我们应该尽量避免数组容量的扩张。当我们可预知要保存的元素的多少时，要在构造ArrayList实例时，就指定其容量，以避免数组扩容的发生。或者根据实际需求，通过调用ensureCapacity方法来手动增加ArrayList实例的容量。
ArrayList还给我们提供了将底层数组的容量调整为当前列表保存的实际元素的大小的功能。它可以通过trimToSize方法来实现。代码如下：

Java代码 复制代码 收藏代码
  1. publicvoid trimToSize() {
  2. modCount++;
  3. int oldCapacity = elementData.length;
  4. if (size < oldCapacity) {
  5. elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);
  6. }
  7. } 
public void trimToSize() {
    modCount++;
    int oldCapacity = elementData.length;
    if (size < oldCapacity) {
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);
    }
}

7) Fail-Fast机制：
ArrayList也采用了快速失败的机制，通过记录modCount参数来实现。在面对并发的修改时，迭代器很快就会完全失败，而不是冒着在将来某个不确定时间发生任意不确定行为的风险。具体介绍请参考我之前的文章深入Java集合学习系列：HashMap的实现原理中的Fail-Fast机制。
8) 关于其他的一些方法的实现都很简单易懂，读者可参照API文档和源代码，一看便知，这里就不再多说。

分享到：
| 关于tomcat虚拟路径配置
评论
发表评论

您还没有登录,请您登录后再发表评论

相关推荐

    深入Java集合学习系列(三)：ArrayList实现原理

    Java集合框架中，ArrayList是一种常见的集合实现类，用于存储和操作对象集合。ArrayList基于动态数组的数据结构，因此它能够提供自动扩容的功能，同时也能够快速地进行随机访问。本篇文档将深入探讨ArrayList的内部...

    深入Java集合学习系列

    "深入Java集合学习系列：ArrayList的实现原理 - 莫等闲 - ITeye技术网站.mht"会详细介绍ArrayList的扩容策略和线程安全问题。 LinkedHashMap是HashMap的一个扩展，它保持了元素的插入顺序或者按照访问顺序排序。...

    尚硅谷-深入Java集合3：ArrayList实现原理.pdf

    ·基于JDK 11，将Java8、Java9、Java10、Java11新特性一网打尽 ·课程中，Eclipse和IDEA这两种企业一线开发环境都使用到了 3.技术讲解更深入、更全面： ·课程共30天，715个知识视频小节，涉及主流Java使用的...

    java软件技术文档-深入java8的集合1：ArrayList的实现原理

    ArrayList 在 Java 中是基于动态数组实现的，它实现了 List 接口并支持所有可选的列表操作。ArrayList 允许 null 元素，其内部通过一个 Object 数组存储元素，通过 get、add、remove 等方法提供对元素的操作。当需要...

    源码解析jdk7.0集合：ArrayList的底层实现原理.pdf

    在探讨 JDK 7.0 中 ArrayList 的底层实现原理之前，首先需要了解 ArrayList 作为 Java 集合框架中 List 接口的动态数组实现类的基本概念。ArrayList 提供了一种存储有序、可重复、允许为 null 的数据结构，并且该...

    java集合PDF汇总

    "深入Java集合学习系列(三)：ArrayList实现原理_尚硅谷_张晓飞.pdf"可能是重复的，但再次强调ArrayList的实现原理：ArrayList的线程安全性较差，如果在并发环境下操作，需要配合synchronized关键字或者使用并发集合...

    【Java面试+Java学习指南】 一份涵盖大部分Java程序员所需要掌握的核心知识

    Java集合详解1：一文读懂ArrayList,Vector与Stack使用方法和实现原理 Java集合详解2：Queue和LinkedList Java集合详解3：Iterator，fail-fast机制与比较器 Java集合详解4：HashMap和HashTable Java集合详解5：深入...

    jdk源码阅读一：ArrayList

    ArrayList作为Java集合框架中的重要组成部分，被广泛应用于各种应用场景。它的主要特点包括： - **基于数组实现**：ArrayList采用数组作为其底层数据结构，这使得访问特定位置的元素非常高效，时间复杂度为O(1)。 -...

    深入探索Java集合框架：解密复杂的面试题和精准解析

    本文将深入探讨Java集合框架的核心概念，包括List、Set、Map等接口，以及ArrayList、LinkedList、HashSet、HashMap等实现类，帮助你理解和解决面试中的相关问题。 1. **List和Set的区别及应用场景** - **List** 是...

    Java Android开发：深入解析Java集合框架及其应用场景

    内容概要：本文详细介绍了Java集合框架的重要性和在Android开发中的应用。首先，阐述了集合框架的基本概念，包括接口（Collection、Set、List、Map）和其实现类（ArrayList、LinkedList、HashSet、TreeSet、HashMap...

    Java集合思维导图.xmind.zip

    这份"Java集合思维导图.xmind.zip"压缩包文件，显然旨在帮助学习者深入理解Java集合框架的核心原理以及不同版本间的差异。以下是关于Java集合类，特别是HashMap、CurrentHashMap、ArrayList和LinkedList的详细知识点...

    Java进阶--深入理解ArrayList实现原理

    ArrayList是Java集合框架中常用的列表实现之一，它作为动态数组，允许我们在运行时根据需要增加或减少元素。ArrayList继承自AbstractList，并实现了List、RandomAccess、Cloneable和Serializable接口。这意味着...

    java 集合

    首先，Java集合框架由一系列接口和实现这些接口的类组成。主要的接口有`List`、`Set`和`Queue`，它们各自代表了不同特性的数据结构。`List`接口定义了一个有序的、允许重复元素的集合，如`ArrayList`和`LinkedList`...

    Java集合框架常用集合源代码及其实现

    Java集合框架是Java编程语言中的一个核心部分，它为数据结构和对象的存储、管理和操作提供了统一的接口和实现。这个框架包括了多种类型的集合，如List、Set、Queue和Map，以及它们的各种实现类，如ArrayList、...

    Java工程师面试复习指南

    Java集合详解：一文读懂ArrayList,Vector与Stack使用方法和实现原理 Java集合详解：Queue和LinkedList Java集合详解：迭代器，快速失败机制与比较器 Java集合详解：HashMap和HashTable Java集合详解：深入理解...

    JAVA大学简明教程：实例程序设计_CD代码.rar_JAVA大学简明教程：实例程序设计_cd_code_代码

    这些示例有助于理解JAVA集合框架的内部工作原理，以及如何有效地存储和操作数据。 5. **输入/输出流**：展示了JAVA I/O流的概念，包括文件读写、对象序列化和反序列化、缓冲区流等。这些代码有助于理解数据的输入...

Magicbox
Global site tag (gtag.js) - Google Analytics