从ArrayList说起

从何说起呢？ArrayList简单易用及强大的功能，注定了我们使用java语言编程时，用得最多的容器类非它莫属。正是因为它的简单，很多并没有认真了解过它，对它的理解并不深刻。也正是因为它是最常用，最基础的容器类，所以就从ArrayList说起吧！本文不会逐一去解释ArrayList的所有方法，仅挑选当中几个我们平时容易忽略的方面进行说明。

ArrayList内存机制

ArrayList，顾名思义，这个list是通过Array进行存储。那么它占用的内存空间是怎么进行分配，扩展以及收缩的呢？

空间分配

首先，每当JVM执行以下这条语句时：

ArrayList list = new ArrayList();

分配给这个list的初始空间大小(DEFAULT_CAPACITY)为10。

空间扩展

每当往list中添加对象时，即调用add或addAll时，为了保证空间足够使用而不至于抛出异常，都需要对空间大小进行判断，如果现有空间足够大，那么直接插入，否则需要先扩展内存。ArrayList中判断内存是否足够以及进行内存扩展的方法有：

//保证空间至少为minCapacity
public void ensureCapacity(int minCapacity) {
    int minExpand = (elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)
        ? 0
        : DEFAULT_CAPACITY;

    if (minCapacity > minExpand) {
        ensureExplicitCapacity(minCapacity);
    }
}
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;
    //当所需最小空间大于现有空间大小时，需要进行内存扩展
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);
}
private void grow(int minCapacity) {
    int oldCapacity = elementData.length;
    //计算新的内存大小
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    //如果计算所得内存大小仍小于所需最小值，则将新的内存大小设为所需最小值，
    //一般只有addAll会用到
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    //如果新的大小超过最大可分配空间，则将其设置为最大可分配空间
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    //内存中开辟一片新的大小为newCapacity的空间，并将现有内容拷贝过去
    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;
}

从上面这段代码，我们可以得出结论：

1. newCapacity=min(max(3/2*oldCapacity, minCapacity), MAX_ARRAY_SIZE);
2. 为了保证数组内存空间的连续性，每次进行空间扩展都是将原有数据拷贝到新的内存地址上，久的内存由gc（垃圾回收器）回收；
3. ArrayList的最大存储量为Integer.MAX_VALUE,即 2147483647。

如果逐个往list中添加对象，那么list的空间大小呈阶梯状增长，如下图所示：

空间收缩

值得注意的是，当我们调用ArrayList的remove,removeAll以及retainAll方法时，这些方法都是在原本的内存空间上进行操作（下文会详述）。因此，如若我们删除一些元素后，空间并没有得到释放。如果我们需要对空间进行回收，那么ArrayList提供了以下方法供我们使用。

public void trimToSize() {
    modCount++;
    if (size < elementData.length) {
        elementData = (size == 0)
          ? EMPTY_ELEMENTDATA
          : Arrays.copyOf(elementData, size);
    }
}

此方法可以将list占用内存大小压缩到list中元素个数。同样也是通过Arrays.copyof方法将元素拷贝到一片新的内寸空间，老的空间由gc回收。

removeAll & retainAll

此处专门设章节写这两个方法主要原因是它们的实现较为巧妙，值得一说。
如果是我们自己实现removeAll，最简单的方法就是循环调用remove方法，将需要删除的元素逐个删除；而retailAll则逐个查找需要保留的元素，并拷贝到一片新的空间上。这也许是最朴素，最简单粗暴的方法了。
JDK如何巧妙实现呢，先看看源码：

public boolean removeAll(Collection c) {
    Objects.requireNonNull(c);
    return batchRemove(c, false);
}

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++)
            if (c.contains(elementData[r]) == complement)
                elementData[w++] = elementData[r];
    } finally {
        if (r != size) {
            System.arraycopy(elementData, r,
                             elementData, w,
                             size - r);
            w += size - r;
        }
        if (w != size) {
            for (int i = w; i < size; i++)
                elementData[i] = null;
            modCount += size - w;
            size = w;
            modified = true;
        }
    }
    return modified;
}

从源码可以看出，这无论是removeAll还是retainAll，它们都通过调用batchRemove这一个方法实现。它们的实现方式类似于jvm中垃圾回收机制中的整理-清除方法，即先将需要保留的元素紧凑地移到一块儿，剩下的即为可以删除的元素。整个删除和保留过程如下图所示：

这种方法非常快速并节约地删除或保留元素，较为巧妙。

安全的toArray

toArray也没有什么神奇之处，无非就是返回ArrayList中自己保存的数组对象，这里单独描述，只是为了说明这个方法是安全的，我们无需担心对得到的数组进行操作会对原本的arraylist对象产生影响，它用于桥接基于数组和基于容器的两种API模式。源码如下:

public Object[] toArray() {
    return Arrays.copyOf(elementData, size);
}

源码非常简洁，可以看出返回的数组对象是通过Arrays.copyOf拷贝出来的一份对象，和原本的对象不属于同一内存空间。因此，得到的数组对象是独立的，可以放心使用。

Java8 中新增方法

java 8 中，ArrayList新增方法如下表所示：

方法	参数	描述
forEach	Consumer < ? super E> action	遍历每个元素做指定操作
spliterator		返回一个Spliterator
removeIf	Predicate< ? super E> filter	判断条件是否满足，满足则删除
replaceAll	UnaryOperator< E > operator	根据operator进行替换
sort	Comparator< ? super E> c	对list中元素根据Comparator指定规则进行排序

对于新增方法，我们将从如何使用它们的角度出发，进行描述。
首先我们定义一个员工类(Employee):

public class Employee {
    private String name;
    private String Dept;
    private Integer age;
    private Double salary;

    //getter and setter
    ......
}

• forEach
  在java8之前，如果我们要对一个遍历员工数组，输出每个员工的姓名，那么我们需要这么做：

    for (Employee emp:employees) {
        System.out.println(emp.getName());
    }

如今，我们可以这么做：

    employees.forEach(e -> System.out.println(e.getName()));

也可以这么做：

employees.forEach(new Consumer() {
    @Override
    public void accept(Employee t) {
        System.out.println(t.getName());
    }
});

• spliterator
  这个用于返回一个ArrayListSpliterator，此处不做具体介绍；如需了解可以参考：这儿
• removeIf
  加入现在公司财务紧张，需要减员，假设需要裁去IT部门中工资超过30000的员工，可以这么办：

    employees.removeIf(e -> e.getDept().equals("IT") && e.getSalary() > 30000d);

• replaceAll
  现在公司重新整理架构，需要讲IT部门合并进RD部门，现在可以直接操作：

employees.replaceAll(new UnaryOperator() {            
    @Override
    public Employee apply(Employee t) {
        if (t.getDept().equals("IT")) {                 
            t.setDept("RD");
        }
        return t;
    }
});

• sort
  公司HR发工资时，需要根据员工工资倒序排序，过去常用的方法是使用Collections的静态方法sort：

Collections.sort(employees, new Comparator() {
    @Override
    public int compare(Employee o1, Employee o2) {
        return (int) (o2.getSalary() - o1.getSalary());
    }
});

现在可以直接进行排序：

employees.sort((a, b) -> a.getSalary().compareTo(b.getSalary()));

总结

本文主要分析了ArrayList几个常常容易忽略方法的源码，总结了java8中ArrayList新增的方法。仅当学习，记录。