细说JDK1.8下的ArrayList
最近在准备秋招，打算把自己看的Javase源码通过博客的方式记录下来，以便后面翻看
首先要说的是ArrayList， ArrayList作为开发中最常用到的集合类，在面试中也是经常会被问到它的底层实现，所以就让我们一起来揭开它的神秘面纱吧。
一 什么是ArrayList
public class ArrayList extends AbstractList
implements List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable 从上面ArrayList的继承实现关系中，可以看到ArrayList实现了List，而我们知道List接口实现了Collection接口，所以 ArrayList也是一种用来存放对象的容器。同时还能看到ArrayList实现了Cloneable和Serialiable接口，证明它是可以被克隆和序列化的
二 ArrayList的成员变量
private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;
/**
* 数组默认初始化容量为10
*/
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
/**
* 空数组，当制定该ArrayList容量为0时，返回该数组
*/
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/**
*默认空数组，这是jdk1.8之后新加入的，它与上面数组的区别是：该数组是默认返回的，
*而上面是用户指定容量为0时返回的
*/
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/**
* 存放元素的数组，被transient修饰
*/
transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
/**
* ArrayList当前元素的个数
*/
private int size;说明：从上面ArrayList的成员变量我们可以看出ArrayList底层是通过维护了一个数组来存放元素的，该数组的默认初始化容量为10，那么有人会说，那直接通过数组来存放元素就行了，实际上，ArrayList不同于数组，它是可以动态孔扩容的。还有一点，细心的同学可能会发现ArrayList底层维护的数组是被transient所修饰的，证明该数组是不可以被序列化的，而上面又说到ArrayList实现了Serialiable接口，岂不是反序列化后的ArrayList丢失了原先的元素？其实玄机在于ArrayList中的两个方法：writeObject和readObject， ArrayList在序列化的时候会调用writeObject，直接将size和element写入ObjectOutputStream；反序列化时调用readObject，从ObjectInputStream获取size和element，再恢复到elementData。
为什么不直接用elementData来序列化，而采用上诉的方式来实现序列化呢？原因在于elementData是一个缓存数组，它通常会预留一些容量，等容量不足时再扩充容量，那么有些空间可能就没有实际存储元素，采用上诉的方式来实现序列化时，就可以保证只序列化实际存储的那些元素，而不是整个数组，从而节省空间和时间。这里就不贴上他们的源码了，有兴趣可以自己去看一下。
三 ArrayList的构造器
ArrayList有三个构造器，如下代码：
/**
*制定初始化容量的构造器
*/
public ArrayList(int initialCapacity) {
if (initialCapacity > 0) {
this.elementData = new Object[initialCapacity];
} else if (initialCapacity == 0) {
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
} else {
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
initialCapacity);
}
}
/**
* 没有入参的构造器，可以看到数组是上文的DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA成员变量
*/
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
/**
* 入参为集合的构造器
*/
public ArrayList(Collection c) {
elementData = c.toArray();
if ((size = elementData.length) != 0) {
// c.toArray 可能返回的不是一个Object数组
if (elementData.getClass() != Object[].class)
//使用 Arrays.copy 方法拷创建一个 Object 数组
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
} else {
// replace with empty array.
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}
}四 ArrayList的增删改查
接下来就是ArrayList的重头戏了，首先让我们来看添加方法：
/**
* 添加一个元素
*/
public boolean add(E e) {
//对数组容量进行调整
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
elementData[size++] = e;
return true;
}
/**
* 在制定位置添加一个元素
*/
public void add(int index, E element) {
rangeCheckForAdd(index);
//对数组容量进行调整
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
//整体后移一位，效率不太好啊
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
size - index);
elementData[index] = element;
size++;
}
//添加一个集合
public boolean addAll(Collection c) {
//把该集合转为对象数组
Object[] a = c.toArray();
int numNew = a.length;
//增加容量
ensureCapacityInternal(size + numNew); // Increments modCount
//挨个向后迁移
System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
size += numNew;
//新数组有元素，就返回 true
return numNew != 0;
}
//在指定位置，添加一个集合
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;
//原来的数组挨个向后迁移
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew,
numMoved);
//把新的集合数组 添加到指定位置
System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);
size += numNew;
return numNew != 0;
}可以看到，所有的添加方法都调用了ensureCapacityInternal()进行数组容量的调整，下面就让我们一起来看看这个方法：
//minCapacity为size+新添加的元素个数，即最小容量
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
//调用了ensureExplicitCapacity和calculateCapacity两个方法
ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}
private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
//如果数组等于默认的空数组，则通过比较默认容量10和minCapacity的大小，返回那个大的
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
//否则直接返回minCapacity
return minCapacity;
}
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
modCount++;
// 容量不够，调用grow方法进行扩容
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}
private void grow(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length;
//新容量为老容量的1.5倍
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
//如果新容量小于最小容量，则将最小容量赋值给新容量
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
//如果新容量大于阈值
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
//最大容量可以是 Integer.MAX_VALUE
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
// minCapacity 一般跟元素个数 size 很接近，所以新建的数组容量为 newCapacity 更宽松些
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}说明：上面添加的代码有点多，有些人看起来可能会觉得很烦躁，所以i我简单的总结一下，首先我们ArrayList有四个添加元素的方法，当我们添加新的元素时，ArrayList底层的数组容量可能会不够，这时我们需要调用ensureCapacityInternal(int minCapacity)方法对数组的容量进行判断，如果不够就调用grow(int minCapacity)方法对数组进行扩容，新容量默认为老容量的1.5倍，如果老容量的1.5倍依然不够，则将最小容量作为新容量。
看完ArrayList的添加方法，修改和查询相对就容易多了，都是根据角标进行操作，直接上代码：
public E set(int index, E element) {
//检查角标是否越界
rangeCheck(index);
E oldValue = elementData(index);
elementData[index] = element;
return oldValue;
}
public E get(int index) {
//检查角标是否越界
rangeCheck(index);
return elementData(index);
}接着看删除方法：
//根据角标删除一个元素
public E remove(int index) {
//查看是否角标越界
rangeCheck(index);
modCount++;
E oldValue = elementData(index);
int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0)
//调用arraycopy将角标后的元素整体前移
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
numMoved);
//将size最后一位清空，gc防止内存泄漏
elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
//将删除的元素返回
return oldValue;
}
//删除指定的一个元素，通过遍历数组进行删除
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;
}
//同样需要前移，看不出哪里快了
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
}
public boolean removeAll(Collection c) {
Objects.requireNonNull(c);
return batchRemove(c, false);
}
//删除或者保留指定集合中的元素
private boolean batchRemove(Collection c, boolean complement) {
final Object[] elementData = this.elementData;
//使用两个变量，一个负责向后扫描，一个从 0 开始，等待覆盖操作
int r = 0, w = 0;
boolean modified = false;
try {
//遍历 ArrayList 集合
for (; r < size; r++)
//如果指定集合中是否有这个元素，根据 complement 判断是否往前覆盖删除
if (c.contains(elementData[r]) == complement)
elementData[w++] = elementData[r];
} finally {
//发生了异常，直接把 r 后面的复制到 w 后面
if (r != size) {
System.arraycopy(elementData, r,
elementData, w,
size - r);
w += size - r;
}
if (w != size) {
// 清除多余的元素，clear to let GC do its work
for (int i = w; i < size; i++)
elementData[i] = null;
modCount += size - w;
size = w;
modified = true;
}
}
return modified;
}
//清除整个ArrayList
public void clear() {
modCount++;
// clear to let GC do its work
for (int i = 0; i < size; i++)
elementData[i] = null;
size = 0;
}说明：看完删除方法都知道，删除完一个元素后还要进行数组的前移，所以删除的效率会比较慢，这也是我们如果经常用到添加修改的时候会用LinkedList而不用ArrayList的原因。
五 ArrayList的内部类
ArrayList中有两个内部类，分别是Itr和ListItr，他们都实现了Iterator接口，相信Iterator大家都不会陌生，迭代器嘛，通过游标来遍历集合的，具体没什么好讲的，看看代码就可以了：
private class Itr implements Iterator {
int cursor; // index of next element to return
int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such
int expectedModCount = modCount;
Itr() {}
public boolean hasNext() {
return cursor != size;
}
@SuppressWarnings("unchecked")
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();
cursor = i + 1;
return (E) elementData[lastRet = i];
}
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();
}
}
@Override
@SuppressWarnings("unchecked")
public void forEachRemaining(Consumer consumer) {
Objects.requireNonNull(consumer);
final int size = ArrayList.this.size;
int i = cursor;
if (i >= size) {
return;
}
final Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
if (i >= elementData.length) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
while (i != size && modCount == expectedModCount) {
consumer.accept((E) elementData[i++]);
}
// update once at end of iteration to reduce heap write traffic
cursor = i;
lastRet = i - 1;
checkForComodification();
}
final void checkForComodification() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
/**
* An optimized version of AbstractList.ListItr
*/
private class ListItr extends Itr implements ListIterator {
ListItr(int index) {
super();
cursor = index;
}
public boolean hasPrevious() {
return cursor != 0;
}
public int nextIndex() {
return cursor;
}
public int previousIndex() {
return cursor - 1;
}
@SuppressWarnings("unchecked")
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];
}
public void set(E e) {
if (lastRet < 0)
throw new IllegalStateException();
checkForComodification();
try {
ArrayList.this.set(lastRet, e);
} catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
public void add(E e) {
checkForComodification();
try {
int i = cursor;
ArrayList.this.add(i, e);
cursor = i + 1;
lastRet = -1;
expectedModCount = modCount;
} catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
} 可以看到在Itr和ListItr中的方法中都有一个 checkForComodification()的方法 ，因为ArrayList不是线程安全的，当我们通过Iterator遍历ArrayList时，可能有其他线程正在对ArrayList进行操作，这时候就会通过 checkForComodification()触发fail-fast机制。
六 总结
好的，看到这里，ArrayList就讲的差不多了，其实它还有一些方法我没有贴上来，因为这篇博客已经很长了，可能很多小伙伴都看睡着了，所以到最后我来总结一下。ArrayList底层是一个可以动态扩容的数组，初始化容量为10，每次扩容为原来的1.5倍（如果1.5倍不够，就使用最小容量作为新容量），ArrayList的特点是修改查询快，删除添加慢，刚好和LinkedList相反。