Java集合框架之List---ArrayList与LinkedList源码分析
一、 ArrayList概述：
public class ArrayList
implements List
ArrayList是基于数组实现的，是一个动态数组，其容量能自动增长，类似于C语言中的动态申请内存，动态增长内存。
ArrayList不是线程安全的，只能用在单线程环境下，多线程环境下可以考虑用Collections.synchronizedList(List l)函数返回一个线程安全的ArrayList类，也可以使用concurrent并发包下的CopyOnWriteArrayList类。
ArrayList实现了Serializable接口，因此它支持序列化，能够通过序列化传输，实现了RandomAccess接口，支持快速随机访问，实际上就是通过下标序号进行快速访问，实现了Cloneable接口，能被克隆。
每个ArrayList实例都有一个容量，该容量是指用来存储列表元素的数组的大小。它总是至少等于列表的大小。随着向ArrayList中不断添加元素，其容量也自动增长。自动增长会带来数据向新数组的重新拷贝，因此，如果可预知数据量的多少，可在构造ArrayList时指定其容量。在添加大量元素前，应用程序也可以使用ensureCapacity操作来增加ArrayList实例的容量，这可以减少递增式再分配的数量。
注意，此实现不是同步的。如果多个线程同时访问一个ArrayList实例，而其中至少一个线程从结构上修改了列表，那么它必须保持外部同步
二、 ArrayList的实现：
对于ArrayList而言，它实现List接口、底层使用数组保存所有元素。其操作基本上是对数组的操作。下面我们来分析ArrayList的源代码：1) 私有属性：
ArrayList定义类4个私有属性：
/**
* Default initial capacity. 默认初始容量
*/
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
//空数组，当调用无参数构造函数的时候默认给个空数组
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
//这才是真正保存数据的数组
private transient Object[] elementData;
//arrayList的实际元素数量
private int size;很容易理解，elementData存储ArrayList内的元素，size表示它包含的元素的数量。
有个关键字需要解释：transient。
Java的serialization提供了一种持久化对象实例的机制。当持久化对象时，可能有一个特殊的对象数据成员，我们不想用serialization机制来保存它。为了在一个特定对象的一个域上关闭serialization，可以在这个域前加上关键字transient。有点抽象，看下Java关键字transient应该能明白。
transient修饰符让elementData无法自动序列化，这样的原因是，数组内存储的的元素其实只是一个引用，单单序列化一个引用没有任何意义，反序列化后这些引用都无法在指向原来的对象。ArrayList使用writeObject()实现手工序列化数组内的元素。
private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
throws java.io.IOException{
int expectedModCount = modCount;
s.defaultWriteObject();
s.writeInt(elementData.length);
for (int i=0; i2) 构造方法：
ArrayList提供了三种方式的构造器，可以构造一个默认初始容量为10的空列表、构造一个指定初始容量的空列表以及构造一个包含指定collection的元素的列表，这些元素按照该collection的迭代器返回它们的顺序排列的。
// ArrayList带容量大小的构造函数。
public ArrayList(int initialCapacity) {
super();
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+ initialCapacity);
// 新建一个指定容量的数组
this.elementData = new Object[initialCapacity];
}
// ArrayList无参构造函数。默认容量是10。
public ArrayList() {
super();
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}
//构造方法传入一个Collection， 则将Collection里面的值copy到arrayList
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);
}
3) 元素存储：
ArrayList提供了set(int index, E element)、add(E e)、add(int index, E element)、addAll(Collection c)、addAll(int index, Collection c)这些添加元素的方法。下面我们一一讲解：
3.1、set(int index, E element)： 用指定的元素替代此列表中指定位置上的元素，并返回以前位于该位置上的元素。
public E set(int index, E element) {
rangeCheck(index);
E oldValue = elementData(index);
elementData[index] = element;
return oldValue;
}
private void rangeCheck(int index) {
if (index > size || index < 0)
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
private String outOfBoundsMsg(int index) {
return "Index: "+index+", Size: "+size;
}3.2、add(E e)： 将指定的元素添加到此列表的尾部。
数组进行扩容时，会将老数组中的元素重新拷贝一份到新的数组中，每次数组容量的增长大约是其原容量的1.5倍。这种操作的代价是很高的，因此在实际使用时，我们应该尽量避免数组容量的扩张。所以在初始化ArrayList的时候尽量预算下大致的容量需求，降低平凡调整容量的开销。
public boolean add(E e) {
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
elementData[size++] = e; return true;
}
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) { //确保内部容量
if (elementData == EMPTY_ELEMENTDATA) {
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
protected transient int modCount = 0; //抽象类AbstractList定义的
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
modCount++;
//超出了数组可容纳的长度，需要进行动态扩展！！！
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}
//这才是动态扩展的精髓，看到这个方法，ArrayList瞬间被打回原形！！！！1
private void grow(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length;
//设置新数组的容量扩展为原来数组的1.5倍
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
//再判断一下新数组的容量够不够，够了就直接使用这个长度创建新数组，
//不够就将数组长度设置为需要的长度
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
//判断有没超过最大限制
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
//将原来数组的值copy新数组中去， ArrayList的引用指向新数组
//这儿会新创建数组，如果数据量很大，重复的创建的数组，那么还是会影响效率，
//因此鼓励在合适的时候通过构造方法指定默认的capaticy大小
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
//检查容量的int值是不是已经溢出
private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
if (minCapacity < 0) // overflow
throw new OutOfMemoryError();
return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
Integer.MAX_VALUE :
MAX_ARRAY_SIZE;
} //size表示的是现有的元素个数，并非ArrayList的容量，容量应该是数组elementData的长度。
private int size;
public void add(int index, E element) {
rangeCheckForAdd(index);
// 如果数组长度不足，将进行扩容。 方法同上
ensureCapacityInternal(size + 1); //Increments modCount!!
// 将 elementData中从Index位置开始、长度为size-index的元素，
// 拷贝到从下标为index+1位置开始的新的elementData数组中。
// 即将当前位于该位置的元素以及所有后续元素右移一个位置。
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index);
elementData[index] = element;
size++;
}
//比set方法里的rangeCheck(int index)多index < 0，索引不能小于0
private void rangeCheckForAdd(int index) {
if (index > size || index < 0)
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
} public boolean addAll(Collection c) {
Object[] a = c.toArray();
int numNew = a.length;
ensureCapacityInternal(size + numNew); // Increments modCount
System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
size += numNew;
return numNew != 0;
}3.5、addAll(int index, Collection c)： 从指定的位置开始，将指定collection中的所有元素插入到此列表中。
public boolean addAll(int index, Collection c) {
rangeCheckForAdd(index);
Object[] a = c.toArray();
int numNew = a.length;
ensureCapacityInternal(size + numNew); // Increments modCount
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;
}
4)、元素读取
// 返回此列表中指定位置上的元素。
public E get(int index) {
rangeCheck(index);
return elementData(index);
}
@SuppressWarnings("unchecked")
E elementData(int index) {
return (E) elementData[index];
}5)、元素删除
ArrayList提供了根据下标或者指定对象两种方式的删除功能。如下：1、remove(int index)：首先是检查范围，修改modCount，保留将要被移除的元素，将移除位置之后的元素向前挪动一个位置，将list末尾元素置空（null），返回被移除的元素。
public E remove(int index) {
rangeCheck(index);
modCount++;
E oldValue = elementData(index);
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
return oldValue;
} public boolean remove(Object o) {
// 由于ArrayList中允许存放null，因此下面通过两种情况来分别处理。
if (o == null) {
for (int index = 0; index < size; index++)
if (elementData[index] == null) {
// 类似remove(int index)，移除列表中指定位置上的元素
fastRemove(index);
return true;
}
} else {
for (int index = 0; index < size; index++)
if (o.equals(elementData[index])) {
fastRemove(index);
return true;
}
}
return false;
}首先通过代码可以看到，当移除成功后返回true，否则返回false。remove(Object o)中通过遍历element寻找是否存在传入对象，一旦找到就调用fastRemove移除对象。为什么找到了元素就知道了index，不通过remove(index)来移除元素呢？因为 fastRemove跳过了判断边界的处理，因为找到元素就相当于确定了index不会超过边界，而且fastRemove并不返回被移除的元素。下面是fastRemove的代码，基本和remove(index)一致。
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
}3、removeRange(int fromIndex,int toIndex)：
protected void removeRange(int fromIndex, int toIndex) {
modCount++;
int numMoved = size - toIndex;
System.arraycopy(elementData, toIndex, elementData, fromIndex,
numMoved);
// clear to let GC do its work
int newSize = size - (toIndex-fromIndex);
for (int i = newSize; i < size; i++) {
elementData[i] = null;
}
size = newSize;
}6) 、调整数组容量：
ensureCapacity(int minCapacity) ： 从上面介绍的向ArrayList中存储元素的代码中，我们看到，每当向数组中添加元素时，都要去检查添加后元素的个数是否会超出当前数组的长度，如果超出，数组将会进行扩容，以满足添加数据的需求。数组扩容通过一个公开的方法ensureCapacity(int minCapacity)来实现。在实际添加大量元素前，我也可以使用ensureCapacity来手动增加ArrayList实例的容量，以减少递增式再分配的数量。
public void ensureCapacity(int minCapacity) {
if (minCapacity > 0)
ensureCapacityInternal(minCapacity);
}void trimToSize() ： 将底层数组的容量调整为当前列表保存的实际元素的大小的功能。
由于elementData的长度会被拓展，size标记的是其中包含的元素的个数。所以会出现size很小但elementData.length很大的情况，将出现空间的浪费。trimToSize将返回一个新的数组给elementData，元素内容保持不变，length和size相同，节省空间。
public void trimToSize() {
modCount++;
int oldCapacity = elementData.length;
if (size < oldCapacity) {
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);
}
}关于ArrayList和Vector区别如下：
ArrayList在内存不够时默认是扩展50% + 1个，Vector是默认扩展1倍。
Vector提供indexOf(obj, start)接口，ArrayList没有。
Vector属于线程安全级别的，但是大多数情况下不使用Vector，因为线程安全需要更大的系统开销。
7)、转为静态数组toArray
7.1、Object[] toArray()， 调用Arrays.copyOf将返回一个数组，数组内容是size个elementData的元素，即拷贝elementData从0至size-1位置的元素到新数组并返回。
public Object[] toArray() {
return Arrays.copyOf(elementData, size);
}7.2、
@SuppressWarnings("unchecked")
public T[] toArray(T[] a) {
if (a.length < size)
// Make a new array of a's runtime type, but my contents:
return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass());
System.arraycopy(elementData, 0, a, 0, size);
if (a.length > size)
a[size] = null;
return a;
} 8)、Fail-Fast机制：
ArrayList也采用了快速失败的机制，通过记录modCount参数来实现。在面对并发的修改时，迭代器很快就会完全失败，而不是冒着在将来某个不确定时间发生任意不确定行为的风险。具体介绍请参考这篇文章深入Java集合学习系列：HashMap的实现原理 中的Fail-Fast机制。
9)、总结:
关于ArrayList的源码，给出几点比较重要的总结：
1、注意其三个不同的构造方法。无参构造方法构造的ArrayList的容量默认为10，带有Collection参数的构造方法，将Collection转化为数组赋给ArrayList的实现数组elementData。
2、注意扩充容量的方法ensureCapacity。ArrayList在每次增加元素（可能是1个，也可能是一组）时，都要调用该方法来确保足够的容量。当容量不足以容纳当前的元素个数时，就设置新的容量为旧的容量的1.5倍加1，如果设置后的新容量还不够，则 直接新容量设置为传入的参数（也就是所需的容量），而后用Arrays.copyof()方法将元素拷贝到新的数组（详见下面的第3点）。从中可以看出，当容量不够时，每次增加元素，都要将原来的元素拷贝到一个新的数组中，非常之耗时，也因此建议在事先能确定元素数量的情况下，才使用ArrayList，否则建议使用LinkedList。
3、ArrayList的实现中大量地调用了Arrays.copyof()和System.arraycopy()方法。我们有必要对这两个方法的实现做下深入的了解。
4、ArrayList基于数组实现，可以通过下标索引直接查找到指定位置的元素，因此查找效率高，但每次插入或删除元素，就要大量地移动元素，插入删除元素的效率低。
5、在查找给定元素索引值等的方法中，源码都将该元素的值分为null和不为null两种情况处理，ArrayList中允许元素为null。
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二、LinkedList
框架图
1、LinkedList类定义
public class LinkedList
extends AbstractSequentialList
implements List, Deque, Cloneable, java.io.Serializable
LinkedList的特性：
1、是一个继承于AbstractSequentialList的双向链表。它也可以被当作堆栈、队列或双端队列进行操作。
2、实现 List 接口，能对它进行队列操作。
3、实现 Deque 接口，即能将LinkedList当作双端队列使用。
4、实现了Cloneable接口，即覆盖了函数clone()，能克隆。
5、实现java.io.Serializable接口，这意味着LinkedList支持序列化，能通过序列化去传输。
6、是非同步的。
为什么要继承自AbstractSequentialList ?
AbstractSequentialList 实现了get(int index)、set(int index, E element)、add(int index, E element) 和 remove(int index)这些骨干性函数。降低了List接口的复杂度。这些接口都是随机访问List的，LinkedList是双向链表；既然它继承于AbstractSequentialList，就相当于已经实现了“get(int index)这些接口”。
此外，我们若需要通过AbstractSequentialList自己实现一个列表，只需要扩展此类，并提供 listIterator() 和 size() 方法的实现即可。若要实现不可修改的列表，则需要实现列表迭代器的 hasNext、next、hasPrevious、previous 和 index 方法即可。
2、LinkedList数据结构原理
LinkedList底层的数据结构是基于双向循环链表的，且头结点中不存放数据,如下：
既然是双向链表，那么必定存在一种数据结构——我们可以称之为节点，节点实例保存业务数据，前一个节点的位置信息和后一个节点位置信息，如下图所示：
二、源码分析
linkedList的源码分析比较简单，熟悉双向循环链表理解起来就特别容易
2.1、私有属性
transient int size = 0;
transient Node first;
transient Node last; private static class Node {
E item;
Node next;
Node prev;
Node(Node prev, E element, Node next) {
this.item = element;
this.next = next;
this.prev = prev;
}
} 2.2 构造方法
第一个构造方法生成实例
第二个构造方法接收一个Collection参数c，调用第一个构造方法构造一个空的链表，之后通过addAll将c中的元素全部添加到链表中。
public LinkedList() { }
public LinkedList(Collection c) {
this();
addAll(c);
}第二个构造方法需要用到的
public boolean addAll(Collection c) {
return addAll(size, c);
} /**
* 将collection中的数据从集合index位置开始插入
*/
public boolean addAll(int index, Collection c) {
//检验将要插入index的位置是否合法
checkPositionIndex(index);
Object[] a = c.toArray();
int numNew = a.length;
// 没有插入元素
if (numNew == 0)
return false;
/* successor ：保存index处的节点。插入位置如果是size，则在头结点前面插入，否则在获取index处的节点插入
predecessor： 获取前一个节点，插入时需要修改这个节点的next引用
*/
Node pred, succ;
if (index == size) {
succ = null; //头结点中不存放数据
pred = last;
} else {
succ = node(index);
pred = succ.prev;
}
// 按顺序将a数组中的第一个元素插入到index处，将之后的元素插在这个元素后面
for (Object o : a) {
@SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) o;
Node newNode = new Node<>(pred, e, null);
if (pred == null)
first = newNode;
else
pred.next = newNode;
pred = newNode;
}
//因为是循环链表，需要处理最后一个结点
if (succ == null) {
last = pred;
} else {
pred.next = succ;
succ.prev = pred;
}
// 修改size
size += numNew;
modCount++;
return true;
}
private void checkPositionIndex(int index) {
// 插入位置超过了链表的长度或小于0，报IndexOutOfBoundsException异常
if (!isPositionIndex(index))
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
private boolean isPositionIndex(int index) {
return index >= 0 && index <= size;
}
private String outOfBoundsMsg(int index) {
return "Index: "+index+", Size: "+size;
}
/**
* 获取index处的节点
* 算法思想：简单的二分查找。
* 如果index大于size的一半，从后往前找；否则从前往后找
*/
Node node(int index) {
// assert isElementIndex(index);
if (index < (size >> 1)) {
Node x = first;
for (int i = 0; i < index; i++)
x = x.next;
return x;
} else {
Node x = last;
for (int i = size - 1; i > index; i--)
x = x.prev;
return x;
}
} public boolean add(E e) {
linkLast(e);
return true;
} void linkLast(E e) {
final Node l = last;
final Node newNode = new Node<>(l, e, null);
last = newNode;
if (l == null)
first = newNode;
else
l.next = newNode;
size++;
modCount++;
} public E get(int index) {
checkElementIndex(index);
//获取index处的节点的数据值
return node(index).item;
}
private void checkElementIndex(int index) {
if (!isElementIndex(index))
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
private boolean isElementIndex(int index) {
return index >= 0 && index < size;
}
private String outOfBoundsMsg(int index) {
return "Index: "+index+", Size: "+size;
}