ArrayList源码分析+数组拷贝
ArrayList简介:
ArrayList 是一个数组队列，相当于动态数组(初始的默认长度为10)。与Java中的数组相比，它的容量能动态增长(以1.5倍的容量扩容)。它继承于AbstractList，实现了List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable这些接口。
ArrayList 继承了AbstractList，实现了List。它是一个数组队列，提供了相关的添加、删除、修改、遍历等功能。
ArrayList 实现了RandmoAccess接口，即提供了随机访问功能。RandmoAccess是java中用来被List实现，为List提供快速访问功能的。在ArrayList中，我们即可以通过元素的序号快速获取元素对象；这就是快速随机访问。
ArrayList 实现了Cloneable接口，即覆盖了函数clone()，能被克隆。
ArrayList 实现java.io.Serializable接口，这意味着ArrayList支持序列化，能通过序列化去传输。
和Vector不同，ArrayList中的操作不是线程安全的！所以，建议在单线程中才使用ArrayList，而在多线程中可以选择Vector或者CopyOnWriteArrayList。
ArrayList属性:
ArrayList属性主要就是当前数组长度size，以及存放数组的对象elementData数组，除此之外还有一个经常用到的属性就是从AbstractList继承过来的modCount属性，代表ArrayList集合的修改次数。
public class ArrayList extends AbstractListimplements List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;//初始容量
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};//空对象实例
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};//一个空对象，如果使用默认构造函数创建，则默认对象内容默认是该值组
transient Object[] elementData; //用于存储元素的数组，不参与序列化
private int size;//数组长度
ArrayList函数：
无参构造：
如果不传入参数，则使用默认无参构建方法创建ArrayList对象
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}带int类型的构造参数：
如果传入参数，则代表指定ArrayList的初始数组长度，传入参数如果是大于等于0，则使用用户的参数初始化，如果用户传入的参数小于0，则抛出异常
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);
}
}带Collection对象的构造函数
1）将collection对象转换成数组，然后将数组的地址的赋给elementData(为浅拷贝)
2）更新size的值，同时判断size的大小，如果是size等于0，直接将空对象EMPTY_ELEMENTDATA的地址赋给elementData
3）如果size的值大于0，则执行Arrays.copy方法，把collection对象的内容（可以理解为深拷贝）copy到elementData中。
注意：this.elementData = arg0.toArray(); 这里执行的简单赋值时浅拷贝，所以要执行Arrays,copy 做深拷贝
public ArrayList(Collection c) {
elementData = c.toArray();为浅拷贝(指向同一块内存空间)
if ((size = elementData.length) != 0) {
// c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
if (elementData.getClass() != Object[].class)
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);//进行深拷贝
} else {
// replace with empty array.
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}
}add(E e)方法(在末尾添加元素)：
1）确保数组已使用长度(size)加1之后足够存下待添加的数据(因为数据添加在数组的末尾)
2）修改次数modCount 标识自增1，如果当前数组已使用长度（size）加1后的大于当前的数组长度，则调用grow方法，增长数组，grow方法会将当前数组的长度变为原来容量的1.5倍。
3）确保新增的数据有地方存储之后，则将新元素添加到位于size的位置上。
4）返回添加成功布尔值。
public boolean add(E e) {
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
elementData[size++] = e;
return true;
}为了确保添加的元素有地方存储会调用ensureCapacityInternal方法，当第一次添加元素的时候this.size+1 的值是1,所以第一次添加并且采用无参构造(未设置ArrayList的长度)的时候会将当前elementData数组的长度变为10:
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {//在第一次添加的时候，判断：当使用默认的构造参数的时候(即未设定数组长度的时候)，会将其长度设置为默认长度10
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}再将修改次数（modCount）自增1，判断是否需要扩充数组长度,判断条件就是用当前所需的数组最小长度与数组的长度对比，如果大于0，则调用grow()来增长数组长度
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
modCount++;
// overflow-conscious code
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}如果当前的数组所需的最小长度大于数组长度，则增大数组容量，扩大为原来的1.5倍。如果扩充的长度笑傲与所需的最小长度，则长度变为数组所需的最小长度；如果扩充的长度大于MAX_ARRAY_SIZE，则调用hugeCapacity来确定minCapacity的大小(最大长度为Integer.MAX_VALUE).
private void grow(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length;
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
// 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;
}add(int index, E element)方法：
1）确保数插入的位置小于等于当前数组长度，并且不小于0，否则抛出异常
2）确保数组已使用长度（size）加1之后足够存下 下一个数据
3）修改次数（modCount）标识自增1，如果当前数组已使用长度（size）加1后的大于当前的数组长度，则调用grow方法，增长数组
4）grow方法会将当前数组的长度变为原来容量的1.5倍。
5）确保有足够的容量之后，使用System.arraycopy 将需要插入的位置（index）后面的元素统统往后移动一位。
6）将新的数据内容存放到数组的指定位置（index）上
public void add(int index, E element) {
rangeCheckForAdd(index);
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
size - index);//浅拷贝，高效，线程不安全
elementData[index] = element;
size++;
}
private void rangeCheckForAdd(int index) {//判断索引是否合理
if (index > size || index < 0)
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}clear()方法：
添加操作次数（modCount），将数组内的元素都置空，等待垃圾收集器收集，不减小数组容量。
public void clear() {
modCount++;
// clear to let GC do its work
for (int i = 0; i < size; i++)
elementData[i] = null;
size = 0;
}remove(int index)：
1）判断索引有没有越界
2）自增修改次数
3）将指定位置（index）上的元素保存到oldValue
4）将指定位置（index）上的元素都往前移动一位
5）将最后面的一个元素置空，好让垃圾回收器回收
6）将原来的值oldValue返回
调用remove()方法时，不会缩减数组的长度，只是将数据前移，再将最后一个数组元素置空而已。
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;
}remove(E e):
循环遍历所有对象，得到对象所在索引位置，然后调用fastRemove方法，执行remove操作，定位到需要remove的元素索引，先将index后面的元素往前面移动一位（调用System.arraycooy实现），然后将最后一个元素置空。
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);//只删除元素的首次出现
return true;
}
}
return false;
}
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
}subList()方法：
我们看到代码中是创建了一个ArrayList 类里面的一个内部类SubList对象，传入的值中第一个参数时this参数，返回当前list的部分视图，真实指向的存放数据内容的地方还是同一个地方，如果修改了sublist返回的内容的话，那么原来的list也会变动。
在subList中保存的依然为原ArrayList(浅拷贝，保存的引用相同，指向同一个地址),只是操作的范围变为了[fromIndex,toIndex)
public List subList(int fromIndex, int toIndex) {
subListRangeCheck(fromIndex, toIndex, size);
return new SubList(this, 0, fromIndex, toIndex);//为真是ArrayList的一部分视图，
}
//SubLIst结构
private class SubList extends AbstractList implements RandomAccess {
private final AbstractList parent;
private final int parentOffset;
private final int offset;
int size;
SubList(AbstractList parent,
int offset, int fromIndex, int toIndex) {
this.parent = parent;
this.parentOffset = fromIndex;
this.offset = offset + fromIndex;
this.size = toIndex - fromIndex;
this.modCount = ArrayList.this.modCount;
} iterator()方法：
详情见迭代器
trimtoSize()方法(通常在内存紧张的时候使用):
1）修改次数加1
2）将elementData中空余的空间（包括null值）去除，例如：数组长度为10，其中只有前三个元素有值，其他为空，那么调用该方法之后，数组的长度变为3
public void trimToSize() {
modCount++;
if (size < elementData.length) {
elementData = (size == 0)
? EMPTY_ELEMENTDATA
: Arrays.copyOf(elementData, size);
}
}总结：
- 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。
- 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。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。
- ArrayList基于数组实现，是一个可以扩容的数组。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
- 添加元素时可能要扩容（所以最好预判一下），删除元素时不会减少容量（若希望减少容量，trimToSize()），删除元素时，先将元素后移，再将最后位置的元素置为null，下次gc就会回收这些元素所占的内存空间，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。
- ArrayList不是线程安全的，使用iterator的时候，有可能会发生线程的异常。
数组拷贝
数组拷贝通常有四种方式，在ArrayList中，大量的使用了System.arraycopy和Arrays.copyOf()方法。在Java中，通常有四种方式，分别为for循环复制，System.arraycopy，Arrays.copyOf()和Ojject.clone()四种方法
复制的速度：System.arraycopy >Object.clone>Arrays.copyOf > for
- 可以看到这是一个native(本地)方法,也就是说是用C++写的,所以其效率比非native方法更高。在JVM里对@HotSpotIntrinsicCandidate注解的进行了手写,这里要提一个叫JNI(Java Native Interface)的东西,普通的native方法通俗的讲就是编译后还要通过JNI再次编译成.cpp文件才能执行.而有 @HotSpotIntrinsicCandidate这个注解的方法在JVM里就是用.cpp文件写好的,所以就跳过了JNI阶段,所以速度就能提升,这也是System.arraycopy()速度冠绝群雄的原因
@HotSpotIntrinsicCandidate
public static native void arraycopy(Object src, int srcPos,Object dest,
int destPos,int length);- 可以看到它也是native方法，有@HotSpotIntrinsicCandidate，但是它却不是被手写的，在编译之后，还要编译成.cpp文件。所以速度相对较快，一般来说native方法的执行效率高于非native方法。由于其关键字是protected,当某个类要复写clone方法时，要继承Cloneable接口。通常的克隆对象都是通过super.clone()方法来克隆对象.值得注意的是，对于数组而言，它不是简单的将引用赋值为另外一个数组引用，而是创建一个新的数组。但是我们知道，对于数组本身而言，它它的元素是对象的时候，本来数组每个元素中保存的就是对象的引用，所以，拷贝过来的数组自然而言也是对象的引用，所以对于数组对象元素而言，它又是浅拷贝。
@HotSpotIntrinsicCandidate
protected native Object clone() throws CloneNotSupportedException;- 在复制数组时会返回一个新数组，copyOf()需要有的参数：源数组，需要复制的元素个数.而且可以很明显的看到里面本质是调用了System.arraycopy()来实现的，在效率上是不慢的。
@HotSpotIntrinsicCandidate
public static T[] copyOf(U[] original, int newLength, Class newType) {
@SuppressWarnings("unchecked")
T[] copy = ((Object)newType == (Object)Object[].class)
? (T[]) new Object[newLength]
: (T[]) Array.newInstance(newType.getComponentType(), newLength);
System.arraycopy(original, 0, copy, 0,
Math.min(original.length, newLength));
return copy;
} - for循环(比较慢)：下标表示法每次都从起点开始寻位到指定下标处（现代编译器应该对其有进行优化，改为指针），另外就是它每一次循环都要判断一次是否达到数组最大长度和进行一次额外的记录下标值的加法运算。
参考链接：
https://blog.csdn.net/qq_33915826/article/details/79600213
https://blog.csdn.net/fighterandknight/article/details/61240861