ArrayList的底层原理

一：ArrayList数据结构

底层的数据结构就是数组，数组元素类型为Object类型，即可以存放所有类型数据。我们对ArrayList类的实例的所有的操作底层都是基于数组的。如图：

二：ArrayList源码分析

public class ArrayList extends AbstractList implements List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable

说明：ArrayList继承AbstractList抽象父类，实现了List接口（规定了List的操作规范）、RandomAccess（可随机访问）、Cloneable（可拷贝）、Serializable（可序列化）

public class ArrayList extends AbstractList
        implements List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
    // 版本号
    private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;
    // 缺省容量
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
    // 空对象数组
    private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
    // 缺省空对象数组
    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
    // 元素数组
    transient Object[] elementData;
    // 实际元素大小，默认为0
    private int size;
    // 最大数组容量
    private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
}

以上是ArrayList类的各个属性，类的属性中核心的属性为elementData，类型为Object[]，用于存放实际元素，并且被标记为transient，也就意味着在序列化的时候，此字段是不会被序列化的

接下来看看构造方法：

1. ArrayList(int)型构造函数

public ArrayList(int initialCapacity) {
        if (initialCapacity > 0) { // 初始容量大于0
            this.elementData = new Object[initialCapacity]; // 初始化元素数组
        } else if (initialCapacity == 0) { // 初始容量为0
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA; // 为空对象数组
        } else { // 初始容量小于0，抛出异常
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                               initialCapacity);
        }
    }

指定elementData数组的大小，不允许初始化大小小于0，否则抛出异常

2. ArrayList()型构造函数

public ArrayList() { 
        // 无参构造函数，设置元素数组为空 
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }

当未指定初始化大小时，会给elementData赋值为空集合

3. ArrayList(Collection)型构造函数

 public ArrayList(Collection c) { // 集合参数构造函数
        elementData = c.toArray(); // 转化为数组
        if ((size = elementData.length) != 0) { // 参数为非空集合
            if (elementData.getClass() != Object[].class) // 是否成功转化为Object类型数组
                elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class); // 不为Object数组的话就进行复制
        } else { // 集合大小为空，则设置元素数组为空
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        }
    }

当传递的参数为集合类型时，会把集合类型转化为数组类型，并赋值给elementData

接下来看看ArrayList的核心方法：

1. add

public boolean add(E e) { // 添加元素
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }

在add函数发现还有其他的函数ensureCapacityInternal，此函数可以理解为确保elementData数组有合适的大小。ensureCapacityInternal的具体函数如下：

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) { // 判断元素数组是否为空数组
            minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity); // 取较大值
        }
        
        ensureExplicitCapacity(minCapacity);
    }

在ensureCapacityInternal函数中我们又发现了ensureExplicitCapacity函数，这个函数也是为了确保elemenData数组有合适的大小。ensureExplicitCapacity的具体函数如下：

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        // 结构性修改加1
        modCount++;
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
    }

在ensureExplicitCapacity函数我们又发现了grow函数，grow函数才会对数组进行扩容，ensureCapacityInternal、ensureExplicitCapacity都只是过程，最后完成实际扩容操作还是得看grow函数，grow函数的具体函数如下：

private void grow(int minCapacity) {
        int oldCapacity = elementData.length; // 旧容量
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // 新容量为旧容量的1.5倍
        if (newCapacity - minCapacity < 0) // 新容量小于参数指定容量，修改新容量
            newCapacity = minCapacity;
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0) // 新容量大于最大容量
            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity); // 指定新容量
        // 拷贝扩容
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }

正常情况下会扩容1.5倍，特殊情况下（新扩展数组大小已经达到了最大值）则只取最大值

当我们调用add方法时，实际上的函数调用如下：

程序调用add，实际上还会进行一系列调用，可能会调用到grow，grow可能会调用hugeCapacity

下面通过两种方式给出调用add的例子，并分析最后的elementData数组的大小。

示例一：

List lists = new ArrayList();
lists.add(8);

初始化lists大小为0，调用的ArrayList()型构造函数，那么在调用lists.add(8)方法时，下图给出了该程序执行过程和最初与最后的elementData的大小

我们可以看到，在add方法之前开始elementData = {}；调用add方法时会继续调用，直至grow，最后elementData的大小变为10，之后再返回到add函数，把8放在elementData[0]中

示例二：

List lists = new ArrayList(6);
lists.add(8);

调用的ArrayList(int)型构造函数，那么elementData被初始化为大小为6的Object数组，在调用add(8)方法时，具体的步骤如下：

在调用add方法之前，elementData的大小已经为6，之后再进行传递，不会进行扩容处理

2. set

public E set(int index, E element) {
        // 检验索引是否合法
        rangeCheck(index);
        // 旧值
        E oldValue = elementData(index);
        // 赋新值
        elementData[index] = element;
        // 返回旧值
        return oldValue;
    }

设定指定下标索引的元素值

3. indexOf

// 从首开始查找数组里面是否存在指定元素
    public int indexOf(Object o) {
        if (o == null) { // 查找的元素为空
            for (int i = 0; i < size; i++) // 遍历数组，找到第一个为空的元素，返回下标
                if (elementData[i]==null)
                    return i;
        } else { // 查找的元素不为空
            for (int i = 0; i < size; i++) // 遍历数组，找到第一个和指定元素相等的元素，返回下标
                if (o.equals(elementData[i]))
                    return i;
        } 
        // 没有找到，返回空
        return -1;
    }

从头开始查找与指定元素相等的元素，注意，是可以查找null元素的，意味着ArrayList中可以存放null元素的。与此函数对应的lastIndexOf，表示从尾部开始查找

4. get

public E get(int index) {
        // 检验索引是否合法
        rangeCheck(index);

        return elementData(index);
    }

get函数会检查索引值是否合法（只检查是否大于size，而没有检查是否小于0），值得注意的是，在get函数中存在element函数，element函数用于返回具体的元素，具体函数如下：

E elementData(int index) {
        return (E) elementData[index];
    }

返回的值都经过了向下转型（Object -> E），这些是对我们应用程序屏蔽的小细节

5. remove

public E remove(int index) {
        // 检查索引是否合法
        rangeCheck(index);
        
        modCount++;
        E oldValue = elementData(index);
        // 需要移动的元素的个数
        int numMoved = size - index - 1;
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                             numMoved);
        // 赋值为空，有利于进行GC
        elementData[--size] = null; 
        // 返回旧值
        return oldValue;
    }

remove函数用户移除指定下标的元素，此时会把指定下标到数组末尾的元素向前移动一个单位，并且会把数组最后一个元素设置为null，这样是为了方便之后将整个数组不被使用时，会被GC，可以作为小的技巧使用。

三：总结

ArrayList有其特殊的应用场景，与LinkedList相对应。其优点是随机读取，缺点是插入元素时需要移动大量元素，效率不太高

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总结自DL的BLOG:https://www.cnblogs.com/leesf456/p/5308358.html