ArrayList实现原理以及源码解析（补充JDK1.7,1.8）
ArrayList实现原理以及源码解析（补充JDK1.7,1.8）
ArrayList的基本知识在上一节已经讨论过，这节主要看ArrayList在JDK1.6到1.8的一些实现变化。
JDK版本不一样，ArrayList类的源码也不一样。
1、ArrayList类结构：
//通过ArrayList实现的接口可知，其支持随机访问，能被克隆，支持序列化
public class ArrayList extends AbstractList
implements List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
//序列版本号
private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;
//默认初始容量
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
//被用于空实例的共享空数组实例
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
//被用于默认大小的空实例的共享数组实例。其与EMPTY_ELEMENTDATA的区别是：当我们向数组中添加第一个元素时，知道数组该扩充多少。
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/**
* Object[]类型的数组，保存了添加到ArrayList中的元素。ArrayList的容量是该Object[]类型数组的长度
* 当第一个元素被添加时，任何空ArrayList中的elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA将会被
* 扩充到DEFAULT_CAPACITY（默认容量）。
*/
transient Object[] elementData; //非private是为了方便嵌套类的访问
// ArrayList的大小（指其所含的元素个数）
private int size;
......
} 1.elementData 是”Object[] 类型的数组”，它保存了添加到ArrayList中的元素。实际上，elementData是个动态数组，我们能通过构造函数 ArrayList(int initialCapacity)来执行它的初始容量为initialCapacity；
如果通过不含参数的构造函数ArrayList()来创建 ArrayList，则elementData的容量默认是10。
elementData数组的大小会根据ArrayList容量的增长而动态的增长，具 体的增长方式，请参考源码分析中的ensureCapacity()函数。
2.size 则是动态数组的实际大小。
ArrayLis < E>是支持泛型的，所以ArrayList可以构造成任何类型的动态数组。
同时它也继承了AbstractList抽象类，抽象类实现了很多默认的方法，但是还有一些方法还是抽象方法。
实现了通用的List列表接口，这里面定义了List列表的基础方法。
同时实现了RandomAccess，Cloneable，Serializable接口，这三个接口都是空接口，里面没有任何方法声明。
RandomAccess
是一个标记接口，其主要就是提供给List接口用的，用来表明其支持快速随机访问。
因为这个接口是没有任何实现的，实现了这个接口的类，就表明这个类支持快速访问，就相当于实现了Serializable就等于支持序列化和反序列化，这是个标准。
Cloneable接口，表明这个是可以进行浅拷贝的，是可以调用Object.clone()返回该对象的浅拷贝。
Serializable接口是我们经常遇到的接口，表明该类支持序列化和反序列化操作。
ArrayList继承这三个没有任何方法定义的接口只是为了表明这个类是支持随机快速访问的，可以支持浅拷贝的，可以被序列化和反序列化的。
1。1.8在初始化ArrayList结构：
2。1.7在初始化ArrayList结构：
2、构造函数（1.6,1.8不同）
/**
* 构造一个指定初始容量的空列表
* @param initialCapacity ArrayList的初始容量
* @throws IllegalArgumentException 如果给定的初始容量为负值
*/
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);
}
}
// 构造一个默认初始容量为10的空列表
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
/**
* 构造一个包含指定collection的元素的列表，这些元素按照该collection的迭代器返回的顺序排列的
* @param c 包含用于去构造ArrayList的元素的collection
* @throws NullPointerException 如果指定的collection为空
*/
public ArrayList(Collection c) {
elementData = c.toArray();
if ((size = elementData.length) != 0) {
// c.toArray()可能不会正确地返回一个 Object[]数组，那么使用Arrays.copyOf()方法
if (elementData.getClass() != Object[].class)
//Arrays.copyOf()返回一个 Object[].class类型的，大小为size，元素为elementData[0,...,size-1]
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
} else {
// replace with empty array.
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}
}
// 构造一个默认初始容量为10的空列表：
// 构造一个默认初始容量为10的空列表
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}而在在JDK1.6中，其构造函数为：
- // ArrayList无参构造函数。默认容量是10。
- public ArrayList() {
- this(10);
- }
1.初始情况：elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {}； size = 0;
2.当向数组中添加第一个元素时，通过add(E e)方法中调用的ensureCapacityInternal(size + 1)方法，即ensureCapacityInternal(1)；
3.在ensureCapacityInternal(int minCapacity)方法中，可得的minCapacity=DEFAULT_CAPACITY=10，然后再调用ensureExplicitCapacity(minCapacity)方法，即ensureExplicitCapacity(10)；
4.在ensureExplicitCapacity(minCapacity)方法中调用grow(minCapacity)方法，即grow(10)，此处为真正具体的数组扩容的算法，在此方法中，通过elementData = Arrays.copyOf(elementData, 10)具体实现了elementData数组初始容量为10的构造。
3、调整数组的容量（扩容）
从add()与addAll()方法中可以看出，每当向数组中添加元素时，都要去检查添加元素后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。
数组扩容实质上是通过私有的方法ensureCapacityInternal(int minCapacity) -> ensureExplicitCapacity(int minCapacity) -> grow(int minCapacity)来实现的，
但在jdk1.8中，向用户提供了一个public的方法ensureCapacity(int minCapacity)使用户可以手动的设置ArrayList实例的容量，以减少递增式再分配的数量。
此处与jdk1.6中直接通过一个公开的方法ensureCapacity(int minCapacity)来实现数组容量的调整有区别。
/**
* public方法，让用户能手动设置ArrayList的容量
* @param minCapacity 期望的最小容量
*/
public void ensureCapacity(int minCapacity) {
int minExpand = (elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)
// any size if not default element table
? 0
// larger than default for default empty table. It's already
// supposed to be at default size.
: DEFAULT_CAPACITY;
if (minCapacity > minExpand) {
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
}
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
//当elementData为空时，ArrayList的初始容量最小为DEFAULT_CAPACITY（10）
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
modCount++;
// overflow-conscious code
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}
//根据传入的最小需要容量minCapacity来和数组的容量长度对比，若minCapactity大于或等于数组容量，则需要进行扩容，调用grow().
//数组可被分配的最大容量；当需要的数组尺寸超过VM的限制时，可能导致OutOfMemoryError
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
/**
* 增加数组的容量，确保它至少能容纳指定的最小容量的元素量
* @param minCapacity 期望的最小容量
*/
private void grow(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length;
//注意此处扩充capacity的方式是将其向右一位再加上原来的数，实际上是扩充了1.5倍
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity); //设置数组可被分配的最大容量
// minCapacity is usually close to size, so this is a win:
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;
} // 确定ArrarList的容量。
// 若ArrayList的容量不足以容纳当前的全部元素，设置 新的容量=“(原始容量x3)/2 + 1”
public void ensureCapacity(int minCapacity) {
modCount++; // 将“修改统计数”+1
int oldCapacity = elementData.length;
if (minCapacity > oldCapacity) {
Object oldData[] = elementData;
int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1;
if (newCapacity < minCapacity)
newCapacity = minCapacity;
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
} 这种算法构造出来的新的数组长度的增量都会比上一次大( 而且是越来越大) ，即认为客户需要增加的数据很多，而避免频繁newInstance 的情况。位运算的速度远远快于整除运算，整句运算式的结果就是将新容量更新为旧容量的1.5倍，效率比原来快。
4、添加元素
ArrayList提供了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。
//将指定的元素(E e)添加到此列表的尾部
public boolean add(E e) {
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
elementData[size++] = e;
return true;
}
//将指定的元素(E e)插入到列表的指定位置(index)
public void add(int index, E element) {
rangeCheckForAdd(index); //判断参数index是否IndexOutOfBoundsException
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!! 如果数组长度不足，将进行扩容
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
size - index); //将源数组中从index位置开始后的size-index个元素统一后移一位
elementData[index] = element;
size++;
}
/**
* 按照指定collection的迭代器所返回的元素顺序，将该collection中的所有元素添加到此列表的尾部
* @throws NullPointerException if the specified collection is null
*/
public boolean addAll(Collection c) {
Object[] a = c.toArray();
int numNew = a.length;
ensureCapacityInternal(size + numNew); // Increments modCount
//将数组a[0,...,numNew-1]复制到数组elementData[size,...,size+numNew-1]
System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
size += numNew;
return numNew != 0;
}
/**
* 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，新元素的顺序为指定collection的迭代器所返回的元素顺序
* @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
* @throws NullPointerException if the specified collection is null
*/
public boolean addAll(int index, Collection c) {
rangeCheckForAdd(index); //判断参数index是否IndexOutOfBoundsException
Object[] a = c.toArray();
int numNew = a.length;
ensureCapacityInternal(size + numNew); // Increments modCount
int numMoved = size - index;
if (numMoved > 0)
//先将数组elementData[index,...,index+numMoved-1]复制到elementData[index+numMoved,...,index+2*numMoved-1]
//即，将源数组中从index位置开始的后numMoved个元素统一后移numNew位
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew,
numMoved);
//再将数组a[0,...,numNew-1]复制到数组elementData[index,...,index+numNew-1]
System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);
size += numNew;
return numNew != 0;
}ArrayList提供了remove(int index)、remove(Object o)、clear()、removeRange(int fromIndex, int toIndex)、removeAll(Collection c)、retainAll(Collection c)这些删除元素的方法。
/**
* 移除此列表中指定位置上的元素
* @param index 需被移除的元素的索引
* @return the element 被移除的元素值
* @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
*/
public E remove(int index) {
rangeCheck(index); //判断index是否 <= size
modCount++;
E oldValue = elementData(index);
//将数组elementData中index位置之后的所有元素向前移一位
int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
numMoved);
elementData[--size] = null; //将原数组最后一个位置置为null，由GC清理
return oldValue;
}
//移除ArrayList中首次出现的指定元素(如果存在)，ArrayList中允许存放重复的元素
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) {
fastRemove(index); //私有的移除方法，跳过index参数的边界检查以及不返回任何值
return true;
}
} else {
for (int index = 0; index < size; index++)
if (o.equals(elementData[index])) {
fastRemove(index);
return true;
}
}
return false;
}
//私有的删除指定位置元素的方法，跳过index参数的边界检查以及不返回任何值
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
}
//清空ArrayList，将全部的元素设为null
public void clear() {
modCount++;
// clear to let GC do its work
for (int i = 0; i < size; i++)
elementData[i] = null;
size = 0;
}
//删除ArrayList中从fromIndex（包含）到toIndex（不包含）之间所有的元素，共移除了toIndex-fromIndex个元素
protected void removeRange(int fromIndex, int toIndex) {
modCount++;
int numMoved = size - toIndex; //需向前移动的元素的个数
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;
}
//删除ArrayList中包含在指定容器c中的所有元素
public boolean removeAll(Collection c) {
Objects.requireNonNull(c); //检查指定的对象c是否为空
return batchRemove(c, false);
}
//移除ArrayList中不包含在指定容器c中的所有元素，与removeAll(Collection c)正好相反
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; //读写双指针
boolean modified = false;
try {
for (; r < size; r++)
if (c.contains(elementData[r]) == complement) //判断指定容器c中是否含有elementData[r]元素
elementData[w++] = elementData[r];
} finally {
// Preserve behavioral compatibility with AbstractCollection,
// even if c.contains() throws.
if (r != size) {
System.arraycopy(elementData, r,
elementData, w,
size - r);
w += size - r;
}
if (w != size) {
// 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;
}ArrayList提供了set(int index, E element)方法来修改指定索引上的值。
//将指定索引上的值替换为新值，并返回旧值
public E set(int index, E element) {
rangeCheck(index);
E oldValue = elementData(index);
elementData[index] = element;
return oldValue;
}ArrayList提供了get(int index)、contains(Object o)、indexOf(Object o)、lastIndexOf(Object o)、get(int index)这些查找元素的方法。
//判断ArrayList中是否包含Object(o)
public boolean contains(Object o) {
return indexOf(o) >= 0;
}
//正向查找，返回ArrayList中元素Object o第一次出现的位置，如果元素不存在，则返回-1
public int indexOf(Object o) {
if (o == null) {
for (int i = 0; i < size; i++)
if (elementData[i]==null)
return i;
} else {
for (int i = 0; i < size; i++)
if (o.equals(elementData[i]))
return i;
}
return -1;
}
//逆向查找，返回ArrayList中元素Object o最后一次出现的位置，如果元素不存在，则返回-1
public int lastIndexOf(Object o) {
if (o == null) {
for (int i = size-1; i >= 0; i--)
if (elementData[i]==null)
return i;
} else {
for (int i = size-1; i >= 0; i--)
if (o.equals(elementData[i]))
return i;
}
return -1;
}
@SuppressWarnings("unchecked")
E elementData(int index) {
return (E) elementData[index];
}
//返回指定索引处的值
public E get(int index) {
rangeCheck(index);
return elementData(index); //实质上return (E) elementData[index]
}trimToSize()、size()、isEmpty()、clone()、toArray()、toArray(T[] a)
//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
public void trimToSize() {
modCount++;
if (size < elementData.length) {
elementData = (size == 0)
? EMPTY_ELEMENTDATA
: Arrays.copyOf(elementData, size);
}
}
//返回ArrayList的大小（元素个数）
public int size() {
return size;
}
//判断ArrayList是否为空
public boolean isEmpty() {
return size == 0;
}
//返回此 ArrayList实例的浅拷贝
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);
}
}
//返回一个包含ArrayList中所有元素的数组
public Object[] toArray() {
return Arrays.copyOf(elementData, size);
}
//如果给定的参数数组长度足够，则将ArrayList中所有元素按序存放于参数数组中，并返回
//如果给定的参数数组长度小于ArrayList的长度，则返回一个新分配的、长度等于ArrayList长度的、包含ArrayList中所有元素的新数组
@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;
} //序列化：将ArrayList的“大小，所有的元素值”都写入到输出流中
private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
throws java.io.IOException{
// Write out element count, and any hidden stuff
int expectedModCount = modCount;
s.defaultWriteObject();
// Write out size as capacity for behavioural compatibility with clone()
s.writeInt(size);
// Write out all elements in the proper order.
for (int i=0; i 0) {
// be like clone(), allocate array based upon size not capacity
ensureCapacityInternal(size);
Object[] a = elementData;
// Read in all elements in the proper order.
for (int i=0; i private transient Object[] elementData;
上面这个对象数组就是其存储元素的数据结构，前面有一个java关键字transient，这个关键字是去序列化的意思，即，在这个类序列化后保存到磁盘或者输出到输出流的时候，这个对象数组是不被保存或者输出的。
为什么要去序列化呢？
这就跟这个ArrayList的特性有关，我们知道ArrayList的容量，也就是这个数组的容量，一般都是预留一些容量，等到容量不够时再拓展，那么就会出现容量还有冗余的情况，如果这时候进行序列化，整个数组都会被序列化，连后面没有意义空元素的也被序列化。
这些是不应该被存储的。所以java的设计者，就为这个类提供了一个writeObject方法，在实现了Serializable接口的类，如果这个类提供了writeObject方法，那么在进行序列化的时候就会通过writeObject方法进行序列化，所以ArrayList的writeObject方法就会显式的为每个实际的数组元素进行序列化，只序列化有用的元素。
private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
throws java.io.IOException{
// Write out element count, and any hidden stuff
int expectedModCount = modCount;
s.defaultWriteObject();
// Write out array length
s.writeInt(elementData.length);
// Write out all elements in the proper order.
for (int i=0; i第一：在容量进行扩展的时候，其实例如整除运算将容量扩展为原来的1.5倍加1，而jdk1.7是利用位运算，从效率上，jdk1.7就要快于jdk1.6。
第二：在算出newCapacity时，其没有和ArrayList所定义的MAX_ARRAY_SIZE作比较，为什么没有进行比较呢，原因是jdk1.6没有定义这个MAX_ARRAY_SIZE最大容量，也就是说，其没有最大容量限制的，但是jdk1.7做了一个改进，进行了容量限制。
参考资料:
JDK API ArrayList
ArrayList 源代码
java源码分析之ArrayList
深入Java集合学习系列：ArrayList的实现原理
每天努力一点，每天都在进步。