ArrayList实现源码分析&与Vector的区别
本文将以以下几个问题来探讨ArrayList的源码实现
- ArrayList成员属性、构造方法。
- ArrayList的大小是如何自动增加的？
- add/set方法。
- remove方法。
- Iterator和ListIterator接口。
- 子集操作。
- 如何复制某个ArrayList到另一个ArrayList中去？写出你的代码？
1、ArrayList成员属性、构造方法
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
transient Object[] elementData;
private int size;从这段定义中可以看出，ArrayList维护了两个数组DEFAULT_CAPACITY和elementData。DEFAULT_CAPACITY是一个空数组，当创建一个空的ArrayList的时候就会使用DEFAULT_CAPACITY，这个时候elementData==DEFAULT_CAPACITY，当在容器中添加一个元素以后，则会使用elementData来存储数据。
这里值得讨论的是DEFAULT_CAPACITY常量,他代表的含义是一个默认数组大小，当我们创建的容器没用指定容量大小时，就会默认使用这个常量作为数组大小。因此当我们创建一个ArrayList实例的时候，最好考虑一下业务场景，如果我们将频繁的存储大量的元素，那么最好在创建的时候指定一个合理的size。所谓动态扩容，就是当数组中存储的元素达到容量上限以后，ArrayList会创建一个新的数组，新数组的大小为当前数组大小的1.5倍。随后将数组元素拷贝到新数组，如果这个动作频繁执行的话，会增大性能开销。
public ArrayList(int initialCapacity) {
super();
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
initialCapacity);
this.elementData = new Object[initialCapacity];
}
public ArrayList() {
super();
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}
public ArrayList(Collection c) {
elementData = c.toArray();
size = elementData.length;
// c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
if (elementData.getClass() != Object[].class)
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
}这三个方法都是ArrayList的构造方法，从前两个方法中可以看出初始化ArrayList的时候是如何指定容器初始大小的，这里也无需多言了。那么我们再看看，当容量达到上限的时候，是如何动态扩充数组大小的呢。
2、ArrayList的大小是如何自动增加的？
public boolean add(E e) {
// 每次添加元素之前先动态调整数组大小，避免溢出
ensureCapacityInternal(size + 1);
// 为什么ArrayList的元素都是顺序存放的？这就是原因，每次都会把最新添加的元素放到数组末尾。
elementData[size++] = e;
return true;
}
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
// 如果当前容器为空，那么就先初始化数组，数组大小不能小于DEFAULT_CAPACITY
if (elementData == EMPTY_ELEMENTDATA) {
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
modCount++;
// 容器会在什么时候扩容？ 就是他了！ 如果当前元素数量达到了容器的上限，那么就扩充数组
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}
private void grow(int minCapacity) {
// oldCapacity为当前容器大小
int oldCapacity = elementData.length;
// oldCapacity >> 1和oldCapacity / 2是等效的，因此newCapacity为原来的1.5倍
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
// 因为第一次容器有可能为空，elementData.length==0，newCapacity会小于minCapacity
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
// 当然newCapacity也不能大于MAX_ARRAY_SIZE，因为数组能分配的最大空间就是Integer.MAX_VALUE
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
// 当确定好数组大小后，就可以进行数组拷贝，Arrays.copyOf的底层是一个native方法，后续有机会会讲到他的实现。
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
if (minCapacity < 0) // overflow
throw new OutOfMemoryError();
return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
Integer.MAX_VALUE :
MAX_ARRAY_SIZE;
}add/set方法
1.add方法：
public boolean add(E e) {
// 检查扩容
ensureCapacityInternal(size + 1);
elementData[size++] = e;
return true;
}
public void add(int index, E element) {
rangeCheckForAdd(index);
ensureCapacityInternal(size + 1);
//将index后面的元素后移一位
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
size - index);
elementData[index] = element;
size++;
}
public boolean addAll(Collection c) {
Object[] a = c.toArray();
int numNew = a.length;
ensureCapacityInternal(size + numNew);
System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
size += numNew;
return numNew != 0;
}
public boolean addAll(int index, Collection c) {
rangeCheckForAdd(index);
Object[] a = c.toArray();
int numNew = a.length;
ensureCapacityInternal(size + numNew);
int numMoved = size - index;
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew,
numMoved);
System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);
size += numNew;
return numNew != 0;
}这里给出了四种add方法，add(E e)添加到数组末尾，add(int index, E element)添加到指定位置。添加元素的时候，首先都要检查扩容，而add(int index, E element)方法中多一步操作，就是将指定位置以后的所有元素向后移动一位，留出当前位置用来存放添加的元素。后面两种addAll方法原理和前两种一样，无非他是添加一个集合元素的区别。
2.set方法：
public E set(int index, E element) {
rangeCheck(index);
E oldValue = elementData(index);
elementData[index] = element;
return oldValue;
}set和add的区别就是，add是添加一个元素，而set是替换元素，size不变。
remove方法：
1.remove单个元素：
public E remove(int index) {
rangeCheck(index);
modCount++;
E oldValue = elementData(index);
int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0)
// 直接进行数组拷贝操作，把index后的所有元素向前移动一位。
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
numMoved);
elementData[--size] = null; // 把元素设空，等待垃圾回收
return oldValue;
}
public boolean remove(Object o) {
if (o == null) {
for (int index = 0; index < size; index++)
if (elementData[index] == null) {
fastRemove(index);
return true;
}
} else {
for (int index = 0; index < size; index++)
if (o.equals(elementData[index])) {
fastRemove(index);
return true;
}
}
return false;
}
// 之所以叫做快速删除，是因为他被设置为一个私有方法，只能在内部调用，删除元素的时候，省去了数组越界的判断。也不返回被删除的元素，直接进行数组拷贝操作。
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;
}2.删除集合元素
removeAll和remove方法思想也是类似的，但是这里有个细节我认为作者处理的非常妙，有必要拿出来品味一下。那么妙在哪里呢？原来这里有两个方法removeAll和retainAll他们正好是互斥的两个操作，但是底层都调用了同一个方法来实现，请看！
// 删除包含集合C的元素
public boolean removeAll(Collection c) {
Objects.requireNonNull(c);
return batchRemove(c, false);
}
// 除了包含集合C的元素外，一律被删除。也就是说，最后只剩下c中的元素。
public boolean retainAll(Collection c) {
Objects.requireNonNull(c);
return batchRemove(c, true);
}
private boolean batchRemove(Collection c, boolean complement) {
final Object[] elementData = this.elementData;
int r = 0, w = 0;
boolean modified = false;
try {
for (; r < size; r++)
// 我认为这里有两点值得我们学习
// 第一，作者巧妙的提取了逻辑上的最大公约数，仅通过一行逻辑判断就实现了两个互斥的效果。
// 第二，作者的所用操作都集中于elementData一个数组上，避免了资源的浪费。
if (c.contains(elementData[r]) == complement)
elementData[w++] = elementData[r];
} finally {
// 理论上r==size 只有当出现异常情况的时候，才会出现r!=size，一旦出现了异常，
// 那么务必要将之前被修改过的数组再还原回来。
if (r != size) {
System.arraycopy(elementData, r,
elementData, w,
size - r);
w += size - r;
}
if (w != size) {
// 被删除部分数组后，剩余的所有元素被移到了0-w之间的位置，w位置以后的元素都被置空回收。
for (int i = w; i < size; i++)
elementData[i] = null;
modCount += size - w;
size = w;
modified = true;
}
}
return modified;
}Iterator和ListIterator接口
1.Itr
Itr实现的是Iterator接口，拥有对元素向后遍历的能力.
int cursor; // 指向下一个返回的元素
int lastRet = -1; // 指向在遍历过程中，最后返回的那个元素。 如果没有为-1。
public E next() {
checkForComodification();
int i = cursor;
if (i >= size)
throw new NoSuchElementException();
Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
if (i >= elementData.length)
throw new ConcurrentModificationException();
// 指向下一个元素
cursor = i + 1;
// 返回当前元素，并把lastRet指向当前这个元素
return (E) elementData[lastRet = i];
}
// 此处有坑，调用此方法前，必须调用next方法，从lastRet可以看出，如果当前没有调用next，那么lastRet==-1
public void remove() {
if (lastRet < 0)
throw new IllegalStateException();
checkForComodification();
try {
ArrayList.this.remove(lastRet);
cursor = lastRet;
lastRet = -1;
expectedModCount = modCount;
} catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}2.ListItr
ListItr不但继承了Itr类，也实现了ListIterator接口，因此他拥有双向遍历的能力。这里着重介绍一下向前遍历的原理。
public boolean hasPrevious() {
return cursor != 0;
}
public int previousIndex() {
// 通过cursor-1，将指针向前移位。
return cursor - 1;
}
public E previous() {
checkForComodification();
int i = cursor - 1;
if (i < 0)
throw new NoSuchElementException();
Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
if (i >= elementData.length)
throw new ConcurrentModificationException();
cursor = i;
return (E) elementData[lastRet = i];
}子集操作
public List subList(int fromIndex, int toIndex) {
subListRangeCheck(fromIndex, toIndex, size);
return new SubList(this, 0, fromIndex, toIndex);
} 这里指的子集，就是指定list的起始位置和结束位置，获取这段范围内的集合元素。那么这有什么作用呢？当单独获取了这段子集以后，就可以独立的对待他，他的起始元素将从0开始。那么这是怎么实现的呢？原来他是通过维护一个SubList内部类，每次读取元素的时候，配合一个offset偏移量，精确的找到elementData数组中对应位置的元素了。由于代码量过多，我这里就象征性的展示其中的一个get方法。
public E get(int index) {
rangeCheck(index);
checkForComodification();
// 子集中的位置+偏移量==实际数组中的位置
return ArrayList.this.elementData(offset + index);
}如何复制某个ArrayList到另一个ArrayList中去？写出你的代码？
1.clone
public Object clone() {
try {
ArrayList> v = (ArrayList>) super.clone();
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(e);
}
}2.之前介绍过的构造方法。
public ArrayList(Collection c) {
elementData = c.toArray();
size = elementData.length;
// c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
if (elementData.getClass() != Object[].class)
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
}两者本质都是调用Arrays.copyOf，而Arrays.copyOf是调用System.arrayscopy
public static T[] copyOf(T[] original, int newLength) {
return (T[]) copyOf(original, newLength, original.getClass());
}
public static T[] copyOf(U[] original, int newLength, Classextends T[]> newType) {
@SuppressWarnings("unchecked")
T[] copy = ((Object)newType == (Object)Object[].class)
? (T[]) new Object[newLength]
: (T[]) Array.newInstance(newType.getComponentType(), newLength);
System.arraycopy(original, 0, copy, 0,
Math.min(original.length, newLength));
return copy;
} 总结：
以数组实现。节约空间，但数组有容量限制。超出限制时会增加50%容量，用System.arraycopy()复制到新的数组，因此最好能给出数组大小的与估值。默认第一次插入元素是创建大小为10的数组。
按数组下标访问元素-get(i)/set(i,e)的性能很高，这是数组的基本优势。直接在数组末尾加入元素-add(e)的性能也很高，但如果按下标插入，删除元素–add(i,e),remove(i),remove(e)则要用System.arraycopy()来移动受影响的元素，性能就变差了，这是基本劣势。
与Vector的区别
1、ArrayList是非线程安全，而Vector是线程安全的，在源码的表示上Vector加上了关键字synchronized。
// Vector的add方法
public synchronized boolean add(E e) {
modCount++;
ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
elementData[elementCount++] = e;
return true;
}
// ArrayList的add方法
public boolean add(E e) {
ensureCapacityInternal(size + 1);
elementData[size++] = e;
return true;
}2、 ArrayList和Vector都具有动态扩容的特性，唯一的区别是，ArrayList扩容后是原来的1.5倍。Vector中有一个capacityIncrement变量，每次扩容都在原来大小基础上增加capacityIncrement。如果capacityIncrement==0，那么就在原大小基础上再扩充一倍。
3、 Vector中有一个方法setSize(int newSize)，而ArrayList并没有，我觉得这个方法有点鸡肋。setSize允许用户主动设置容器大小，如果newSize小于当前size，那么elementData数组中只会保留newSize个元素，多出来的会设为null。如果newSize大于当前size，那么就扩容到newSize大小，数组中多出来的部分设为null，以后添加元素的时候，之前多出来的部分就会以null的形式存在，直接试验一下吧。
Vector<Integer> v2 = new Vector<Integer>();
v2.add(1);
v2.setSize(3);
v2.add(3);
System.out.println(v2.size());
setSize之前：
[1]
setSize之后：
[1, null, null]
当我再次添加一个元素后：
[1, null, null, 3]
所以我觉得这个方法并没有太大实用意义。而且会是用户困惑，出现一些不必要的错误。因为Vector是同步的，所以性能上肯定不如ArrayList，所以在不需要考虑多线程的环境下，建议使用ArrayList。
参考：jdk源码学习笔记，人话翻译