【Java源码解读】ArrayList

源码来源：OpenJDK 10

 

简述

ArrayList实现了List接口；大小可变；允许有null元素；支持调整其内部用户存储数据的数组大小；与Vector比较相似，除了ArrayList不同步（多线程不安全）。

 

关于性能

• size, isEmpty, get, set, iterator, listIterator等方法的时间复杂度都是O(1)；add的时间复杂度是可变常量（amortized constant time）。（与LinkedList相比，ArrayList的常量因子更小一点）。除了这些操作，其它操作的一般都是线性复杂度O(n)。
• 当需要向一个ArrayList中添加大量元素时，可先调用ensureCapacity来增大ArrayList内部数组的容量，以减少重新分配内存空间次数。

关于线程安全/同步

• 在多线程场景中使用ArrayList时，如果至少有一个线程会改变ArrayList实例的结构，那么就必须做好同步管理。
• 添加或删除元素，或显式地改变ArrayList内部的数组，都是会改变ArrayList实例结构的操作。但是仅仅设置其中某个元素的值，不会改变实例结构。
• 一般可以对拥有ArrayList实例的外部对象进行同步化访问改造，从而达到线程安全的目的。
• 如果找不到合适的（外部）对象进行同步访问处理，可调用Collections.synchronizedList方法，将ArrayList实例包装成一个线程安全的新对象，再在新对象上执行多线程操作。这个包装操作最好在创建ArrayList实例时就执行，以免在创建和同步化包装这两个操作之间发生误用。
• 通过ArrayList的iterator方法和listIterator方法得到的迭代器都采用fail-fast机制。也就是说，这样的iterator被创建出来后，如果ArrayList实例的内部结构被改变，iterator就会抛出异常ConcurrentModificationException（除非这个改变是iterator自身的add或remove方法操作的）。
• 但是并不能保证不同步的并发修改一定会引起上述异常。所以可以将此异常用于辅助排障，但不能让正常处理逻辑依赖于这个fail-fast机制。

构造方法

ArrayList()

将内部数组初始化为一个大小为0数组

 

ArrayList(int initialCapacity)

如果initialCapacity大于0，则将内部数组初始化为一个大小为initialCapacity的数组

如果initialCapacity等于0，则将内部数组初始化为一个大小为0的数组

否则，抛出异常IllegalArgumentException

 

ArrayList(Collection<? extends E> c)

如果c中有元素，则将c中的元素复制到一个新数组中，并将该新数组作为ArrayList的内部数组

否则，将内部数组初始化为一个大小为0的数组

 

关键方法

newCapacity(int minCapacity)

计算内部数组扩容的目标容量

 

private int newCapacity(int minCapacity) {
    // overflow-conscious code
    int oldCapacity = elementData.length;
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    if (newCapacity - minCapacity <= 0) {
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)
            return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        if (minCapacity < 0) // overflow
            throw new OutOfMemoryError();
        return minCapacity;
    }
    return (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE <= 0)
        ? newCapacity
        : hugeCapacity(minCapacity);
}

先取现容量的1.5倍，作为新容量

如果该新容量比现容量大

如果该新容量小于等于最大允许的容量MAX_ARRAY_SIZE，则使用该新容量

否则

如果minCapacity小于0，则抛出异常OutOfMemoryError

否则

如果minCapacity大于MAX_ARRAY_SIZE，就用Integer.MAX_VALUE作为新容量

否则，就用MAX_ARRAY_SIZE作为新容量

否则

如果内部数组是默认的0元素数组，就选DEFAULT_CAPACITY(10)和minCapacity中的较大者作为新容量

如果minCapacity小于0，则抛出异常OutOfMemoryError

否则，将minCapacity作为新容量

MAX_ARRAY_SIZE

值为Integer.MAX_VALUE-8

因为某些VM会在数组头部预留一些空间不放置用户数据，所以需要减8，以防超出VM的限制。

 

其它方法

 trimToSize

将内部数组的容量调整为当前有效元素的数量。可通过此方法来减小ArrayList实例所占用的内存。

该操作会将字段modCount增加1。modCount是父类AbstractList中的字段，它记录了实例内部结构改变的次数。该字段主要由iterator用于实现fail-fast机制。iterator会判定该字段的值是不是其期望的值；如果不是，就会抛出异常。如果AbstractList的子类需要提供fail-fast机制的iterator，则可在会改变其实例内部结构的操作中将该字段增加1；如果不需要提供这样iterator，则可以忽略该字段。

 

ensureCapacity(int minCapacity)

确保内部数组可容纳minCapacity所指定数量的元素

如果minCapacity比内部数组的长度大，且内部数组不是空数组，或minCapacity比初始容量DEFAULT_CAPACITY(10)大]，则增大内部数组。具体策略在newCapacity(int minCapacity)中实现

 

public void ensureCapacity(int minCapacity) {
    if (minCapacity > elementData.length
        && !(elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
            && minCapacity <= DEFAULT_CAPACITY)) {
        modCount++;
        grow(minCapacity);
    }
}

 

size()

返回list中元素的个数

 

isEmpty()

判断list中是否存在元素

 

contains(Object o)

判断list中是否存在指定的元素。具体实现就是判断indexOf(o)的返回值是否大于等于0

 

indexOf(Object o)

返回指定元素在list中首次出现的索引。如果不存在目标元素，则返回-1。具体实现就是先判断o是不是null：

如果是null，就挨个检查是否有元素是null，一旦找到就返回相应的索引；

如果不是null，就用o.equals方法挨个检查是否有元素相等，一旦找到就返回相应的索引。

 

lastIndexOf(Object o)

返回指定元素在list中最后一次出现的索引。如果不存在目标元素，则返回-1。具体实现与indexOf(Object o)类似。不同之处是挨个检查的方向相反。

 

clone()

创建一个浅拷贝的副本。也就是说，拷贝的是ArrayList实例对象这个壳，它内部存放的元素不会被拷贝，只是将这些元素的索引复用到了新的list。具体实现就是先执行super.clone()得到一个新的ArrayList实例；再创建一个存放了各元素（引用）的数组，作为新list实例的内部数组；再将modCount的值置为0

 

toArray()

返回一个包含各元素的数组，且这些元素的顺序与list的相同。具体做法就是创建一个list内部数组的副本。因为返回的数组对象是一个全新的对象，所以对此新数组的修改不会影响到原list

 

toArray(T[] a)

与toArray()类似，该方法是泛型形式

如果list的元素能全部放到a数组中，那么各元素（引用）会被放到a中，并返回a。否则，将会创建一个新的数组，数组大小就是当前list的size，并将元素（引用）放到该新数组中，再返回该新数组。

另外，如果a的容量比list中元素个数多，那么a[size]会被置为null。这种做法有助于判断a数组中有效元素的个数。但是需要使用者知道list中不存在null元素。

 

get(int index)

获取指定索引的元素。该方法会先检查index是否大于等于size。如果是，就会抛出异常IndexOutOfBoundsException

 

set(int index, E element)

将指定的元素放到指定的索引处（替换原元素），并返回原元素。该方法也会先检查索引是否越界

 

add(E e)

将指定的元素追加到list的末尾，并返回true。该方法会先将modCount增加1。内部数组已经存满元素，会先调用grow(size+1)进行扩容，再放置新元素。size也会增加1

 

add(int index, E element)

将指定元素插入到list的指定索引处，索引处的原元素及之后的元素都会被向后移动一格（索引值加1）。该方法会先检查索引是否有效。modCount和size都会增加1

 

remove(int index)

移除指定索引处的元素，并返回该元素，索引后的各元素都会被向前移动一格（索引值减1）。该方法会先检查索引是否有效。modCount会增加1，size会减1。此外，内部数组的末尾元素后的一个会被置为null，此做法与toArray(T[] a)类似

 

remove(Object o)

移除list中第一个与指定对象o相等的元素，并返回true（成功移除）或false（未找到相等的元素）。如果o为null，就用‘==null’检查是否相等；如果o不为null，就用o.equals方法。如果找到了相等的元素，就执行与remove(int index)相同的内部逻辑，进行移除操作

 

clear()

移除list中的所有元素。具体实现就是将内部数组的每个有效元素（引用）置为null。modCount会增加1，size会置为0

 

addAll(Collection<? extends E> c)

将指定集合中的所有元素追加到list末尾，并返回true（有新元素加入）或false（没有新元素加入）。具体实现是，先把集合c中的元素（引用）复制到新数组中，再把这些元素（引用）添加到内部数组中。在这个过程中，如果集合c没有元素，会直接返回false；如果原元素个数和新元素个数的和超过了当前内部数组的容量，就会先扩容。另外，无论c中是否有元素，modCount都会增加1。size也会更新（c中有多少个元素就增加多少）

 

addAll(int index, Collection<? extends E> c)

将指定集合中的所有元素追加到指定索引处，并返回true（有新元素加入）或false（没有新元素加入）。该方法会先检查索引是否有效。具体实现与addAll(Collection<? extends E> c)类似。如果指定索引处原来有元素，则从该索引开始向后的其它元素都会被移动最终list的末尾。这与add(int index, E element)类似

 

 

removeRange(int fromIndex, int toIndex)

移除指定索引区间的元素，包括fromIndex的元素，不包括toIndex的元素。toIndex及之后的元素会被前移。该方法会先检查索引是否有效。modCount会增加1

 

removeAll(Collection<?> c)

移除指定集合c中含有的元素，并返回true（有元素被移除）或false（没有元素被移除）。注意：remove(Object o)是移除list中首个相等的元素，而此方法时移除所有相等的元素（不是首个）。因为此方法会对每个元素进行相等性检查（c.contains）。具体实现时，会先找到list中首个相等的元素，再遍历剩余的元素。在这遍历过程中，如果后续有元素是c所不包含，则把该元素（引用）赋到之前的索引处。这个“之前的索引”初始值是首个相等元素的索引，随着遍历过程中需保留元素的增加，该“索引”的值也一同增加。另外，如果在后续遍历过程中发生异常，会先hold住异常，把后方未遍历的元素直接提到前面，然后再重新抛出异常。如果后续遍历一切正常，则modCount增加的值就是被移除的元素个数，并清理现场，即调整size并将新空出来的内部数组空间值置为null

 

listIterator(int index)

获取一个从指定索引开始的ListIterator<E>。该方法会先检查索引是否有效

 

listIterator()

获取一个从0索引开始的ListIterator<E>。这是listIterator(int index)的一个特例

 

iterator()

获取一个从0索引开始的Iterator<E> 

 

subList(int fromIndex, int toIndex)

获取一个指定索引区间的子list（ArrayList.SubList），包括fromIndex处的元素，不包括toIndex处的元素。这个子list只是原list的一个视图，对子list改动会调用原list的方法

 

forEach(Consumer<? Super E> action)

对每个元素应用指定的操作。

 

spliterator()

返回一个Spliterator<E>（可分割迭代器，用于并行遍历）

 

removeIf(Predicate<? super E> filter)

移除所有符合filter的元素。具体实现与removeAll(Collection<?> c)类似，也是先找到第一个符合要求的元素，再遍历后续元素进行移除。但是因为filter具体操作是不受控制的，为了安全，会先遍历所有后续元素，并在一个数组中记录符合filter的元素的索引信息，然后再执行真正的移除操作，最后清理现场。modCount会增加1，size也会改变。

 

removeIf(Predicate<? super E> filter, int i, final int end)

移除指定索引区间内所有符合filter的元素，包括i，不包括end。这是removeIf(Predicate<? super E> filter)的一个特例

 

replaceAll(UnaryOperator<E> operator)

将所有元素替换为将operator处理过后得到的结果。modCount会增加1

 

sort(Comparator<? super E> c)

使用指定的比较器，对所有元素进行排序，排序结果反映在原内部数组

 

其它

• 可以阅读源码，体会一下使用final局部变量的场景。
• ArrayList中存在部分可以改进的代码。