ArrayList源码解析-Java8

一.ArrayList介绍

　　ArrayList在平时开发过程中使用得特别频繁，它的底层是使用数组，存在线程并发安全（并发读写）；

　　与之密切相关的Vector，功能和ArrayList几乎一样（源码也几乎一样），但是Vector是并发安全的，因为Vectory的接口，大多是在方法上加了synchronized关键字进行同步操作，达到并发安全的效果。

　　ArrayList底层使用数组，所以进行随机访问元素时比较高效，但是涉及到数据的删除和插入就比较低效（涉及到元素的移动）；

　　与ArrayList相似的，还有LinkedList，底层使用链表，在元素删除和插入时比较高效，在随机访问元素时比较低效；

　　所以在选择ArrayList和LinkedList的时候，可以根据实际的情况进行选用。

　　如果有兴趣，可以看一下LinkedList源码解析-Java8

二.ArrayList源码分析

2.1 重要的属性

/**
 * 默认容量
 */
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

/**
 * 共享的静态变量（一个空的数组）
 */
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

/**
 * 默认空容量的数组
 */
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

/**
 * 保存ArrayList中元素的真实数据，使用transient表示序列化时不计入该字段
 */
transient Object[] elementData;

/**
 * 记录ArrayList中元素的个数
 */
private int size;

/**
 * 允许申请的最大容量
 */
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

2.2 构造方法

　　ArrayList有三个构造方法，需要注意的是，使用无参构造方法来创建ArrayList时，不会创建数组，也就是说不会分配数组内存空间。代码如下：

public ArrayList() {
    // 无参构造方法，直接将保存数据的elementData设置为空数组
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

public ArrayList(int initialCapacity) {
    // 传入的初始容量大于0，则会创建指定容量长度的数组
    if (initialCapacity > 0) {
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
    } else if (initialCapacity == 0) {
        // 如果传入的初始容量为0，则指定为空数组
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    } else {
        // 容量小于0，属于非法参数，直接抛出异常
        throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: " + initialCapacity);
    }
}

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) {
            // 将传入的集合复制到数组中
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
        }
    } else {
        // 如果传入的集合为空，那么直接设置为空的数组
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
}

2.3 添加新元素

　　添加新元素，常用的就是追加新元素和在指定位置插入新元素。

　　需要注意的是，ArrayList总是在真正插入元素前判断是否需要扩容，如果需要扩容，则扩容后，再插入新元素；不需要扩容则直接插入元素。

/**
 * 添加新元素（append）
 *
 * @param e 新元素
 */
public boolean add(E e) {
    // 判断是否需要扩容（元素数量+1 如果超过数组容量，则会进行扩容）
    ensureCapacityInternal(size + 1);

    // 将新元素放到最后一个元素后面（同时元素数量加1）
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

/**
 * 将新元素插入指定位置
 */
public void add(int index, E element) {
    // 检测index是否越界
    rangeCheckForAdd(index);

    // 检测是否需要扩容（若需要，则进行扩容），同时修改modCount+1
    ensureCapacityInternal(size + 1);

    // 将index后面元素统统往后移动一个位置，空出index位置
    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index);

    // 将新元素放入index位置
    elementData[index] = element;

    // 元素数量加1
    size++;
}

/**
 * 检测指定的index是否越界
 */
private void rangeCheckForAdd(int index) {
    if (index > size || index < 0) {
        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
    }
}

2.4 数组扩容

　　前面每次add的时候，都会调用ensourCapacityInternal（size+1），这个方法里面就会判断是否需要进行扩容，如果需要扩容则会进行扩容操作。

　　除此之外，该方法还有另外一个重要的操作，就是modCount++，记录数组的变化次数，用于快速失败。

/**
 * 确保内部数组的容量满足minCapacity
 *
 * @param minCapacity 期望的最小容量
 */
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}

/**
 * 计算容量（正确容量）
 *
 * @param elementData 保存元素的数组
 * @param minCapacity 期望的最小容量
 * @return 确定容量
 */
private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
    // 如果数组为空数组，那么就取minCapacity和默认容量10的较大值
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }

    // 数组不为空，直接返回minCapacity
    return minCapacity;
}

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    // 记录数组的修改次数
    modCount++;

    // 是否minCapacity超过当前数组的长度（当前容量），证明需要扩容（扩容的时机，重要！！！！）
    if (minCapacity - elementData.length > 0) {
        grow(minCapacity);
    }
}

/**
 * 数组扩容
 *
 * @param minCapacity 希望扩容后的数组长度
 */
private void grow(int minCapacity) {
    int oldCapacity = elementData.length;               // 旧数组的长度
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // 新数组的容量（旧数组的1.5倍）

    // 判断计算后的新数组容量是否满足要求的最小容量
    // 如果不满足，则直接将新数组的容量设置为需要的容量
    if (newCapacity - minCapacity < 0) {
        newCapacity = minCapacity;
    }

    // 如果申请的容量大于允许申请的最大容量，则返回允许申请的最大容量
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0) {
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    }

    // 申请一个新数组（新容量），然后将原数组的数据拷贝到新数组中
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

　　从源码中可以看出，当底层数组满的时候（插入新元素，size+1，超过底层数组的容量），则需要进行扩容，扩容时，会创建1.5倍旧数组的新数组，并将旧数组的元素拷贝到新数组中（顺序不会变）。

2.5 删除元素

　　删除元素有两种方式，分别是删除指定元素和删除指定下标的元素。

　　删除元素之后，如果删除的不是最后一个元素，则需要将删除元素后面的元素往前挪一个位置，并将空出来的最后一个位置置位null（help GC）。

/**
 * 删除指定位置的元素
 */
public E remove(int index) {
    // 判断数组是否越界
    rangeCheck(index);

    // 修改次数加1
    modCount++;

    // 从数组中返回下标为index的元素
    E oldValue = elementData(index);

    // 计算需要移动的元素数量
    int numMoved = size - index - 1;
    
    // 如果需要移动的元素数量大于0（也就是删除的元素不是最后一个元素）
    // 则将index+1开始元素一次往前移动一个位置
    if (numMoved > 0) {
        System.arraycopy(elementData, index + 1, elementData, index, numMoved);
    }
    
    // 将最后一个元素的位置删除（置位null，让GC的时候清除对应的内存）
    elementData[--size] = null;

    // 返回被删除的元素
    return oldValue;
}

/**
 * 判断数组是否越界
 *
 * @param index 指定数组下标
 */
private void rangeCheck(int index) {
    if (index >= size) {
        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
    }
}

/**
 * 返回数组中下标为index的元素
 * @param index
 * @return
 */
@SuppressWarnings("unchecked")
E elementData(int index) {
    return (E) elementData[index];
}

/*--------------------------------------------------------*/

/**
 * 删除指定元素（遍历数组中的元素，删除第一个匹配的元素）
 *
 * @return true:删除元素； false:未找到要删除的元素
 */
public boolean remove(Object o) {
    if (o == null) {
        for (int index = 0; index < size; index++) {
            // 对于null，直接只用==进行比较
            if (elementData[index] == null) {
                fastRemove(index);
                return true;
            }
        }
    } else {
        for (int index = 0; index < size; index++) {
            // 对于非null的元素，使用equals方法进行比较
            if (o.equals(elementData[index])) {
                fastRemove(index);
                return true;
            }
        }
    }
    
    return false;
}

/**
 * 快速删除指定下标的元素（不检测数组越界，不返回被删除的元素）
 */
private void fastRemove(int index) {
    // 修改次数加1
    modCount++;

    // 判断需要移动的元素数量
    int numMoved = size - index - 1;

    // 如果需要移动的元素数量大于0（删除的不是最后一个元素）
    // 则将index后面的元素一次往前移动
    if (numMoved > 0) {
        System.arraycopy(elementData, index + 1, elementData, index, numMoved);
    }

    // 将数组空出的最后一个位置置位null（GC时清除元素），然后数组元素减1
    elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
}

2.6 数组缩容

　　可以思考这种场景，一个ArrayList，刚开始初始容量为0，添加元素后，容量分别调为10、16...1024，但是后期数组元素在不断的删除元素，虽然数组中只剩下了5个元素，但是数组的长度是1024，这是极大地浪费，此时需要进行缩容，就是让底层数组调整为适合长度，最适合的长度就是刚好和元素数量个数相同。

　　ArrayList提供了trimToSize方法，就是进行缩容操作，将底层数组设置为刚好装下现有元素的长度

/**
 * 缩容操作，将底层数组组调整为size长度
 */
public void trimToSize() {
    // 修改次数加1
    modCount++;

    // 如果数组中的元素数量小于数组的长度，才进行缩容
    // 如果数组中没有元素，则将底层数组切换为一个空数组，否则就换为size大小的数组
    if (size < elementData.length) {
        elementData = (size == 0) ? EMPTY_ELEMENTDATA : Arrays.copyOf(elementData, size);
    }
}

2.7 获取元素

　　获取元素的过程，比较简单：

/**
 * 返回ArrayList中index下标的元素
 */
public E get(int index) {
    // 数组越界检测
    rangeCheck(index);

    // 返回index下标的元素
    return elementData(index);
}

/**
 * 判断数组是否越界
 *
 * @param index 指定数组下标
 */
private void rangeCheck(int index) {
    if (index >= size) {
        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
    }
}

/**
 * 返回数组中下标为index的元素
 *
 * @param index
 * @return
 */
@SuppressWarnings("unchecked")
E elementData(int index) {
    return (E) elementData[index];
}

2.8 主动扩容

　　可以思考这么一种情况，某个场景，需要使用ArrayList来存储1000多个元素，当我们使用new ArrayList()来创建了一个空数组后，在放入这2000个元素的过程中，会经过若干次的扩容！！！！

　　为了避免频繁的扩容，我们可以通过在创建ArrayList的时候指定初始容量（比如指定初始容量为1000），那么就几乎不会发生扩容了。

　　除了这种方法，ArrayList还提供了ensureCapacity方法来触发主动扩容，也就是说当我们没有指定初始容量，或者初始容量指定的还不够大的时候，就可以使用ensureCapacity来进行主动扩容：

/**
 * 主动扩容，保证数组容量满足期望的≥minCapacity
 */
public void ensureCapacity(int minCapacity) {
    int minExpand = (elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) ? 0 : DEFAULT_CAPACITY;

    // 当期望的容量大于最小扩容容量时，就进行扩容操作
    if (minCapacity > minExpand) {
        ensureExplicitCapacity(minCapacity);
    }
}

/**
 * 将数组进行扩容（满足新容量≥minCapacity）
 */
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    // 记录数组的修改次数
    modCount++;

    // 是否minCapacity超过当前数组的长度（当前容量），证明需要扩容（扩容的时机，重要！！！！）
    if (minCapacity - elementData.length > 0) {
        grow(minCapacity);
    }
}

　　原文地址：https://www.cnblogs.com/-beyond/p/13254542.html

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