java8 ArrayList 源码解析

    ArrayList是经常使用的集合类，底层基于数组实现，访问元素的时间复杂度是O(1),但是增删元素的时间复杂度为O(n),这点和LinkedList刚好相反。每次增删会修改modCount（从父类AbstractList继承而来）。数组容量不够时，一般来说会1.5倍扩容。不多说，下面看看数组列表的属性和方法吧。

1.基本属性

    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;//默认初始大小

    private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};//空数组，指定大小的空的ArrayList共享此对象

    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};//空数组，默认大小的空的ArrayList共享

    transient Object[] elementData; //对象数组

    private int size;//数组实际存储对象大小，注意与“elementData.length”的区别

2.构造方法

    ArrayList有三个构造方法，分别为指定初始容量、无参构造、传入Collection构造三个构造方法。不多说，其中会用到上面提到的两个类变量EMPTY_ELEMENTDATA以及DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA。

图1 构造方法

3.扩容

    ensureCapacity方法的调用可能会引起数组扩容。假设第一次调用ensureCapacity方法时elementData为空，则minExpand为0，一般而言会引起扩容；之后再调用ensureCapacity方法，minExpand至少为10。不多说，详见代码注释。

图2  扩容_1

之后调用ensureExplicitCapacity()方法，调用grow()方法通过Arrays.copyOf()扩容。如果扩容，容量至少会增加0.5倍（有这么几种特殊情况会导致增加超过0.5倍或达不到0.5倍：第一次可能从0扩大到10、整体容量不能超过Integer.MAX_VALUE限制、假设原来有10个元素，现需要通过addAll方法添加100个元素），具体过程详见代码和注释。

图3 扩容_2

4.清除数组多余容量trimToSize()方法，调用后size与elementData.length相等。

图4 trimToSize()方法

    5.是否包含元素[contains()]、得到指定元素序号[indexOf()]。之所以这里两个方法放在一起讲，是因为contains()调用indexOf()方法判断是否包含某元素。index返回指定元素首次出现的序号，如果不存在则返回-1。如果元素为空则用“==”判断，如果非空则利用“equals()”判断。

图6 序号&包含

    6.根据size得到列表容量，列表是否为空。

图7 容量&是否为空

    7.获取指定序号的元素。可以通过0-(size-1)获取指定元素。rangeCheck()会使大于等于size的序号抛出异常。底层通过数组快速定为到指定元素。

图8 获取元素

    8.修改指定序号的元素。注意，这里并没有修改modCount，因为此方法并没有修改数组的整体结构。

图9 修改指定序号的元素

    9.添加元素的两个方法。如果没有制定序号，则在数组最后一位添加。ensureCapacityInternal()方法会使modCount++。如果指定序号，则从序号到size的元素都要往后移动一位。这就是ArrayList添加元素相对低效的原因。

图10 添加元素

    10.删除元素。如果指定序号，则从序号后一位到size的元素往前移动一位；如果传入指定对象，则先通过遍历找到该对象第一次出现的序号，通过fastRemove()移动元素。当然，数组最后位的需要置空，并且size--。

图11 指定序号删除

图12 指定对象删除

    11.清空数组元素clear()方法。

图13 清空元素

    12 添加Collection所有元素到列表。如果指定没有制定序号，则拷贝到列表尾部；如果指定序号，则拷贝到序号后面，原序号后元素移动 [Collection对象长度] 位数。

图14 批量添加

    13.删除区间，注意这是一个protected方法。[fromIndex，toIndex)之间的数据将会被删除。

图15 区段删除

    14.批量删除batchRemove方法。removeAll和retainAll的底层实现。“c.contains(elementData[r]) == complement”是关键代码，其中c是Collection参数，complement是boolean类型参数。如果complement为false，意味着原列表中不在c集合的元素将会保留（c.contains(elementData[r])为false，elementData[r]将会保留）；同理，如果complement为true，意味着原列表元素在c集合的元素将会保留（此时，c.contains(elementData[r])为true，与complement相等，elementData[r]将会保留），详细过程请看代码注释。

图16 批量删除

    15转换数组，有两个方法toArray()和toArray(T[] a)。对于toArray()，通过Arrays.copyOf()会返回Object[]数组，虽然该数组中的元素还是T类型，但是如果把Object[]强制转换成T[]，则会报ClassCastException异常。

图17 强转异常

    对于toArray(T[] a)，如果a.length小于size，则会返回一个新的数组，否则返回a。如果a.length大于size，还会把 a[size]置空，size+1后元素不变。

图18 转换数组_2

    总结，相对而言数组列表还是比较简单的数据结构，它底层通过数组实现。关于列表的equals和hashCode以及迭代相关方法后续会专门讲解。