ArrayList源码深入解析
最近在看《算法与数据结构Java版》这本书，正好看到第三章线性表，就顺便看了一下ArrayList和LinkedList的源码，深入的了解了他们之间的区别和性能方面的优缺点。先单独说一下ArrayList的实现原理。
概要
ArrayList的实现原理其实就是数组，它是线程不安全的，允许其中元素为null。
它实现了 List接口，
其中RandomAccess代表了其拥有随机快速访问的能力，ArrayList可以以O(1)的时间复杂度去根据下标访问元素。
因为其底层结构是数组，所以它是占据了一块连续的内存空间，其长度就是数组的大小，因此它有数组的缺点，空间效率不高，但是也有优点，就是查询速度快，时间效率很高。
当集合中的元素超出数组的长度是，数组就会进行扩容操作，扩容操作是ArrayList存储操作缓慢的主要原因，尤其是当数据量越来越大，每次扩容消耗的时间会越来越多。
所以如果我们事先预知数据量的大小，可以通过public ArrayList(int initialCapacity) {}构造方法来指定集合的大小，以减少扩容次数，提高写入效率。
构造方法详解
//集合的初始容量为10
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
//默认构造函数里的空数组
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
//真正存放元素的数组
private transient Object[] elementData;
//自定义初始容量的构造方法
public ArrayList(int initialCapacity) {
super();
//如果初始容量小于0则报IllegalArgumentException异常
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: " + initialCapacity);
this.elementData = new Object[initialCapacity];
}
//默认的构造方法
public ArrayList() {
super();
//默认的构造方法是将空数组赋值给了elementData
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}
//将别的集合直接赋值进行创建的构造方法
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
//直接用toArray()的方法获取集合的数组对象，并且直接赋值给elementData
elementData = c.toArray();
size = elementData.length;
// 这里是当c.toArray出错，没有返回Object[]时，利用Arrays.copyOf 来复制集合c中的元素到elementData数组中
if (elementData.getClass() != Object[].class)
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
}
调用构造方法后，会构造出数组elementData和集合大小size。
常用API详解
1 添加元素
每次添加元素之前都会判断添加后的容量是否需要扩容。
//添加单个元素
public boolean add(E e) {
//判断添加后的长度是否需要扩容
ensureCapacityInternal(size + 1);
//在数组末尾添加上当前元素，并且修改size大小
elementData[size++] = e;
return true;
}
//集合的初始容量为10
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
//判断是否是第一次初始化数组
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
//判断当前数组是否 == EMPTY_ELEMENTDATA，因为默认构造函数创建时是将空数组EMPTY_ELEMENTDATA赋值给elementData
if (elementData == EMPTY_ELEMENTDATA) {
//判断默认容量10和当前数据长度的大小，取其中大的值作为判断本次是否需要扩容的依据，由于第一次数组是空的，所以默认要使数组扩容到10的长度
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
//判断是否需要扩容
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
//判断扩容的方法
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
//如果需要扩容modCount++，此参数是指当前列表结构被修改的次数
modCount++;
// 判断当前数据量是否大于数组的长度
if (minCapacity - elementData.length > 0)
//如果大于则进行扩容操作
grow(minCapacity);
}
//扩容方法
private void grow(int minCapacity) {
// 记录扩容前数组的长度
int oldCapacity = elementData.length;
//将原数组的长度扩大0.5倍作为扩容后新数组的长度（如果扩容前数组长度为10，那么经过扩容后的数组长度应该为15）
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
//如果扩容后的长度小于当前数据量，那么就将当前数据量的长度作为本次扩容的长度
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
//判断新数组长度是否大于可分配数组的最大大小
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
//将扩容长度设置为最大可用长度
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
// 拷贝，扩容，构建一个新的数组
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
//判断如果新数组长度超过当前数组定义的最大长度时，就将扩容长度设置为Interger.MAX_VALUE,也就是int的最大长度
private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
if (minCapacity < 0) // overflow
throw new OutOfMemoryError();
return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
Integer.MAX_VALUE : MAX_ARRAY_SIZE;
}
向指定下标添加元素
public void add(int index, E element) {
//判断下标是否越界，如果越界直接报异常
rangeCheckForAdd(index);
//判断扩容
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
//拷贝数组，将下标后面的元素全部向后移动一位
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
size - index);
//将元素插入当前下标位置
elementData[index] = element;
size++;
}
//判断下标是否越界
private void rangeCheckForAdd(int index) {
if (index > size || index < 0)
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
添加多元素
//添加多个元素
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
return addAll(this.size, c);
}
//添加多个元素到指定下标
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
//判断下标是否越界
rangeCheckForAdd(index);
//判断c的大小是否大于0
int cSize = c.size();
if (cSize==0)
return false;
checkForComodification();
//将元素插入到数组中
parent.addAll(parentOffset + index, c);
//将修改次数赋值给modCount
this.modCount = parent.modCount;
this.size += cSize;
return true;
}
小结
add时先判断是否越界，是否需要扩容。如果扩容，就复制数组。然后设置对应下标元素值。
注意：
1如果需要扩容的话，默认扩容一半。如果扩容一半不够，就用目标的size作为扩容后的容量。
2在扩容成功后，会修改modCount。
2 删除元素
//删除某个下标的元素，并且返回该下标元素值
public E remove(int index) {
//判断下标是否越界
rangeCheck(index);
//修改次数加一
modCount++;
//查询该下标的元素赋值为oldValue
E oldValue = elementData(index);
//计算出需要移动数组的数据长度（有一个10长度的数组，我要删除下标1的元素，所以下标在1之后的元素都要依次往前移动1,10 - 1 - 1 = 8，需要挪动的元素数量为8）
int numMoved = size - index - 1;
//判断挪动数量是否大于0
if (numMoved > 0)
//拷贝数组，重新赋值
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
numMoved);
//将空闲出来的位置赋值为null
elementData[--size] = null;
return oldValue;
}
//直接删除该下标的元素，不返回值
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
}
//删除该元素在数组中出现的第一个位置上的数据。如果该数据存在返回true，否则返回false
public boolean remove(Object o) {
//判断删除元素是否为null
if (o == null) {
for (int index = 0; index < size; index++)
if (elementData[index] == null) {
//删除元素
fastRemove(index);
return true;
}
} else {
for (int index = 0; index < size; index++)
if (o.equals(elementData[index])) {
//删除元素
fastRemove(index);
return true;
}
}
return false;
}
//批量删除
public boolean removeAll(Collection<?> c) {
return batchRemove(c, false);
}
//批量移动
private boolean batchRemove(Collection<?> c, boolean complement) {
//将数组赋值给一个新数组
final Object[] elementData = this.elementData;
//w表示批量删除后数组还剩多少元素
int r = 0, w = 0;
boolean modified = false;
try {
//保存两个集合的共有元素
for (; r < size; r++)
//如果c中不包含当前元素则保留
if (c.contains(elementData[r]) == complement)
elementData[w++] = elementData[r];
} finally {
// 出现异常会导致r != size，则将出现异常的数据全部添加到保留的数组里，不进行删除
if (r != size) {
//将异常的数据插入要保留的数组里
System.arraycopy(elementData, r, elementData, w, size - r);
//修改w的数量，将剩余异常的数据长度加到要保留的长度上
w += size - r;
}
//判断要保留的长度和集合长度是否一致，
if (w != size) {
// 将删除空出来的下标全部置为null
for (int i = w; i < size; i++)
elementData[i] = null;
//修改次数
modCount += size - w;
//集合大小等于最后保留的数据长度
size = w;
modified = true;
}
}
return modified;
}
如果删除的数据多与数组里的数据也不会出现问题，它只会删除掉它们共有的元素。
小结
1 删除操作会涉及到数组的复制，时间复杂度相对较高。
2 删除操作一定会修改modCount。
3 修改元素
修改元素时不会修改modCount，相对于增删操作是高效的操作。
public E set(int index, E e) {
//判断下标是否越界
rangeCheck(index);
//取出下标为index的元素值
E oldValue = elementData(index);
//重新赋值
elementData[index] = element;
//返回旧数据
return oldValue;
}
4 查找元素
查找元素时也不会修改modCount，相对于增删操作是高效的操作。
public E get(int index) {
//越界问题
rangeCheck(index);
//查询数据
return elementData(index);
}
E elementData(int index) {
return (E) elementData[index];
}
5 是否包含 contains
//检查是否包含某个元素
public boolean contains(Object o) {
return indexOf(o) >= 0;
}
//没什么好说的，只是做了null和非null情况的判断
public int indexOf(Object o) {
if (o == null) {
for (int i = 0; i < size; i++)
if (elementData[i]==null)
return i;
} else {
for (int i = 0; i < size; i++)
if (o.equals(elementData[i]))
return i;
}
return -1;
}
6 清空元素 clear
public void clear() {
//修改modCount
modCount++;
// 将所有下标数据都置为null，保留数组大小
for (int i = 0; i < size; i++)
elementData[i] = null;
//修改size大小
size = 0;
}
7 判断是否空 isEmpty
很简单就是判断size是否等于0，直接贴代码，不多说了。
public boolean isEmpty() {
return size == 0;
}
8 克隆集合 clone
public Object clone() {
try {
@SuppressWarnings("unchecked")
//直接调用父类的clone方法
ArrayList<E> v = (ArrayList<E>) super.clone();
//将elementData拷贝到v.elementData中
v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);
v.modCount = 0;
return v;
} catch (CloneNotSupportedException e) {
// this shouldn't happen, since we are Cloneable
throw new InternalError();
}
}
9 迭代器 Iterator
public Iterator<E> iterator() {
return new Itr();
}
private class Itr implements Iterator<E> {
int cursor; // index of next element to return
int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such
//用来判断集合是否修改过结构的标志
int expectedModCount = modCount;
//判断是否还有下一个元素
public boolean hasNext() {
return cursor != size;
}
//获取下一个元素的值
@SuppressWarnings("unchecked")
public E next() {
checkForComodification();
int i = cursor;
//判断下标是否越界
if (i >= size)
throw new NoSuchElementException();
Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
//还是判断下标越界
if (i >= elementData.length)
throw new ConcurrentModificationException();
cursor = i + 1;
//返回元素，并且设置上一次返回元素的下标
return (E) elementData[lastRet = i];
}
//删除掉上一次next的元素
public void remove() {
//判断是否执行过next
if (lastRet < 0)
throw new IllegalStateException();
checkForComodification();
try {
ArrayList.this.remove(lastRet);
//要删除的下标
cursor = lastRet;
//防止重复删除，将下标置为-1
lastRet = -1;
expectedModCount = modCount;
} catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
//判断是否修改过集合的结构，如果修改过直接抛出异常
final void checkForComodification() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
总结
1 增删改查操作中，增需要扩容modCount，删除一定会修改modCount。修改和查询一定不会修改modCount。
2 增操作会导致数组扩容和数组复制，批量删除会找出两个数组的交集，以及数组复制操作，所以，增删操作时间复杂度相对较高。而修改和查询的效率很高。
3 当然上述情况都是建立在数据量比较大的情况下，小数据量相差无几，所以在查询和修改操作较多的情况下建议使用ArrayList。