Java源码解读之util.ArrayList

ArrayList是List接口的一个可变长数组实现。实现了所有List接口的操作，并允许存储null值。除了没有进行同步，ArrayList基本等同于Vector。在Vector中几乎对所有的方法都进行了同步，但ArrayList仅对writeObject和readObject进行了同步，其它比如add(Object)、remove(int)等都没有同步。

1.存储

　　ArrayList使用一个Object的数组存储元素。

private transient Object elementData[];

　　ArrayList实现了java.io.Serializable接口，这儿的transient标示这个属性不需要自动序列化。下面会在writeObject()方法中详细讲解为什么要这样作。

　　2.add和remove

public boolean add(Object o)
{
　ensureCapacity(size + 1);
　// Increments modCount!! elementData[size++] = o;
　return true;
}

　　注意这儿的ensureCapacity()方法，它的作用是保证elementData数组的长度可以容纳一个新元素。在“自动变长机制”中将详细讲解。

public Object remove(int index)
{
　RangeCheck(index);
　modCount++;
　Object oldValue = 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;
}

　　RangeCheck()的作用是进行边界检查。由于ArrayList采用一个对象数组存储元素，所以在删除一个元素时需要把后面的元素前移。删除一个元素时只是把该元素在elementData数组中的引用置为null，具体的对象的销毁由垃圾收集器负责。

　　modCount的作用将在下面的“iterator()中的同步”中说明。

　　注：在前移时使用了System提供的一个实用方法：arraycopy()，在本例中可以看出System.arraycopy()方法可以对同一个数组进行操作，这个方法是一个native方法，如果对同一个数组进行操作时，会首先把从源部分拷贝到一个临时数组，在把临时数组的元素拷贝到目标位置。

　　3.自动变长机制

　　在实例化一个ArrayList时，你可以指定一个初始容量。这个容量就是elementData数组的初始长度。如果你使用：

ArrayList list = new ArrayList();

　　则使用缺省的容量：10。

public ArrayList() { this(10); }

　　ArrayList提供了四种add()方法，

public boolean add(Object o)

public void add(int index, Object element)

public boolean addAll(Collection c)

public boolean addAll(int index, Collection c)

　　在每一种add()方法中，都首先调用了一个ensureCapacity(int miniCapacity)方法，这个方法保证elementData数组的长度不小于miniCapacity。ArrayList的自动变长机制就是在这个方法中实现的。

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;
　　elementData = new Object[newCapacity];
　　System.arraycopy(oldData, 0, elementData, 0, size);
　 }
}

　　从这个方法实现中可以看出ArrayList每次扩容，都扩大到原来大小的1.5倍。

　　每种add()方法的实现都大同小异，下面给出add(Object)方法的实现：

public boolean add(Object o)
{
　ensureCapacity(size + 1);
　// Increments modCount!! elementData[size++] = o;
　return true;
}


4.iterator()中的同步

　　在父类AbstractList中定义了一个int型的属性：modCount，记录了ArrayList结构性变化的次数。

protected transient int modCount = 0;

　　在ArrayList的所有涉及结构变化的方法中都增加modCount的值，包括：add()、remove()、addAll()、removeRange()及clear()方法。这些方法每调用一次，modCount的值就加1。

　　注：add()及addAll()方法的modCount的值是在其中调用的ensureCapacity()方法中增加的。

　　AbstractList中的iterator()方法（ArrayList直接继承了这个方法）使用了一个私有内部成员类Itr，生成一个Itr对象（Iterator接口）返回：

public Iterator iterator() { return new Itr(); }

　　Itr实现了Iterator()接口，其中也定义了一个int型的属性：expectedModCount，这个属性在Itr类初始化时被赋予ArrayList对象的modCount属性的值。

int expectedModCount = modCount;

　　注：内部成员类Itr也是ArrayList类的一个成员，它可以访问所有的AbstractList的属性和方法。理解了这一点，Itr类的实现就容易理解了。

　　在Itr.hasNext()方法中：

public boolean hasNext() { return cursor != size(); }

　　调用了AbstractList的size()方法，比较当前光标位置是否越界。

　　在Itr.next()方法中，Itr也调用了定义在AbstractList中的get(int)方法，返回当前光标处的元素：

public Object next()
{
　try
　{
　　Object next = get(cursor);
　　checkForComodification();
　　lastRet = cursor++;
　　return next;
　}
　catch(IndexOutOfBoundsException e)
　{
　　checkForComodification();
　　throw new NoSuchElementException();
　}
}

　　注意，在next()方法中调用了checkForComodification()方法，进行对修改的同步检查：

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

　　现在对modCount和expectedModCount的作用应该非常清楚了。在对一个集合对象进行跌代操作的同时，并不限制对集合对象的元素进行操作，这些操作包括一些可能引起跌代错误的add()或remove()等危险操作。在AbstractList中，使用了一个简单的机制来规避这些风险。这就是modCount和expectedModCount的作用所在。

　　5.序列化支持

　　ArrayList实现了java.io.Serializable接口，所以ArrayList对象可以序列化到持久存储介质中。 ArrayList的主要属性定义如下：

private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;

private transient Object elementData[];

private int size;

　　可以看出serialVersionUID和size都将自动序列化到介质中，但elementData数组对象却定义为transient了。也就是说ArrayList中的所有这些元素都不会自动系列化到介质中。为什么要这样实现？因为elementData数组中存储的“元素”其实仅是对这些元素的一个引用，并不是真正的对象，序列化一个对象的引用是毫无意义的，因为序列化是为了反序列化，当你反序列化时，这些对象的引用已经不可能指向原来的对象了。所以在这儿需要手工的对ArrayList的元素进行序列化操作。这就是writeObject()的作用。

private synchronized void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s) throws java.io.IOException
{
// Write out element count, and any hidden stuff s.defaultWriteObject();
// Write out array length s.writeInt(elementData.length);
// Write out all elements in the proper order.
for (int i=0; i<size; i++) s.writeObject(elementData[i]);
}

　　这样元素数组elementData中的所以元素对象就可以正确地序列化到存储介质了。

　　对应的readObject()也按照writeObject()方法的顺序从输入流中读取：
private synchronized void readObject(java.io.ObjectInputStream s) throws java.io.IOException, ClassNotFoundException
{
// Read in size, and any hidden stuff s.defaultReadObject();
// Read in array length and allocate array
int arrayLength = s.readInt();
elementData = new Object[arrayLength];
// Read in all elements in the proper order.
for (int i=0; i<size; i++) elementData[i] = s.readObject(); }


总结：知道了具体的实现机理之后就能了解了别人的设计思想，怎么来实现，性能并发等是怎么考虑的，学习算法数据结构的实际使用情况，最后就是你在用的时候会能把它用得最恰到好处，而且也可以在遇到问题的时候更快速定位，最后是能把它的一些思想用在后面编程中

评论

1 楼 Yinny 2011-08-17  

1：根本不存在一个动态增长的容器供我们使用。所谓集合就是在内部定义一个一定大小的数组，这个数组的容量也就是Capacity属性，如果没有设置，默认是一个0长度的数组。当开始添加第一个数据时,数组的长度会被设为4。
2：当我们调用ADD方法为集合添加元素时，它会判断集合内部的数组是否已填充满，如果填充满了，就会实例化一个新的数组，数组容量为原数组容量的2倍。然后把原数组中的数据COPY到新的数组中，然后原数组会成为垃圾回收的对象被GC收集。
3：如果数据量不大或能基本能确定大小的情况下，尽量使用数组而不是集合，因为多次创建新数组并COPY数据会对性能造成损伤（虽然微乎其微）。