ArrayList详解（基于JDK8）

ArrayList

要点

• ArrayList 内部使用动态数组实现元素存储。并允许所有元素，包括 null，元素可重复。

• 实现了 RandomAccess 接口，可实现快速随机访问。

• 每次添加元素时都会检查动态元素数组容量是否足够，如果不够则会动态扩容，扩容是扩容 1.5 倍，扩容后会复制原来的数组，这个开销很大，所以一定要根据业务场景指定初始化容量。添加元素效率视情况而定，可能会面临数组扩容与内容复制等开销问题。指定位置的插入与删除元素效率低，因为需要移动其它元素。

• 动态数组是通过 transient 修饰的，默认不被序列化（因为动态数组可能没有存满），ArrayList 自定义了序列化与反序列化的方法保证只对数组中的有效元素进行序列化。

• ArrayList 的迭代器会返回一个 内部类 Itr 对象，迭代时删除元素应该使用迭代器的 remove 方法而非 ArrayList 本身的 remove 方法，否则会产生 Fail Fast 异常。当然普通使用 ArrayList 的 remove 方法是没问题的。

• modCount 属性是继承自 AbstractList 的，用来记录 结构发生变化的次数。结构发生变化是指添加或者删除至少一个元素的所有操作，或者是调整内部数组的大小，仅仅只是设置元素的值不算结构发生变化。如果迭代或者序列化会检查 modCount 版本，如果不一致则会产生 Fail Fast 异常。

• ArrayList 是线程不安全的，建议在单线程中才使用 ArrayList，多线程可以使用 Vector 类、Collections.synchronizedList、JUC 的 CopyOnWriteArrayList 类等方法解决并发安全问题。

• 支持随机访问，按照索引进行访问的效率很高，效率为 O(1)。

• 按照内容查找元素效率较低，效率为 O(N)。

ArrayList类API

ArrayList 对象不能存储基本类型，只能存储引用类型的数据。类似 不能写，想要存储基本类型数据，<> 中的数据类型，需要使用基本类型包装类，如 也可能用到基本数据类型，JVM会根据场景进行自动拆箱、自动装箱。

public boolean add(E obj); 				// 将指定元素添加到此集合的尾部
public boolean add(int index, E obj); 	// 在指定位置插入元素，后面的元素往后移动
public E remove(int index); 			// 删除指定位置上的元素，返回被删除的元素
public E get(int index);    			// 返回指定位置上的元素
public int size();  					// 返回此集合中的元素数目
public void trimToSize();  	// 将数组列表的存储容量削减到当前尺寸，确保数组不会有新元素添加的时候调用
public void set(int index, E obj);		// 设置数组列表指定位置的值，覆盖原有内容。

ArrayList<Employee> staff = new ArrayList<Employee>();
// 右边的类型参数可省并指定初始大小 一定要写，避免多次自动扩容影响性能
ArrayList<Employee> staff = new ArrayList<>(100);  
// 遍历方法
for(Employee e : staff){
    e.raiseMoney(300);
}

for(int i = 0; i < staff.size(); i++){
    staff.get(i).raiseMoney(300);
}

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源码分析

下面的分析基于 JDK8。最新的 ArrayList 源码是有改动的。

因为 ArrayList 是基于数组实现的，所以支持快速随机访问。RandomAccess 接口标识着该类支持快速随机访问，RandomAccess 是一个标记接口，没有任何方法。

1. 基本属性

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
    // 版本号
    private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;
    // 默认容量
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
    // 空对象数组
    private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
    // 缺省空对象数组
    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
    // 存放元素数组
    transient Object[] elementData;
    // 实际元素大小，默认为0
    private int size;
    // 最大数组容量
    private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
}

实现了 RandomAccess 接口，代表该类支持快速随机访问，因为 ArrayList 是基于数组实现的。

存放元素数组为 elementData，其默认大小为 DEFAULT_CAPACITY = 10。如果初始化时没有指定数组大小，那么第一次添加元素时会扩容，这时候就会扩容到默认的 10，如果指定了容量，那就按容量 1.5 扩容了。

2. 初始化

主要是初始化一个指定大小的数组。

/**
 * 不带参数的构造方法
 */
public ArrayList() {
    // 直接将空数组赋给elementData
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

/**
 * 带有容量initialCapacity的构造方法
 *
 * @param 初始容量列表的初始容量
 * @throws IllegalArgumentException 如果指定容量为负
 */
public ArrayList(int initialCapacity) {
    // 如果初始化时ArrayList大小大于0
    if (initialCapacity > 0) {
        // new一个该大小的object数组赋给elementData
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
    } else if (initialCapacity == 0) { // 如果大小为0
        // 将空数组赋给elementData
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    } else { // 小于0
        // 则抛出IllegalArgumentException异常
        throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: " +
                                           initialCapacity);
    }
}

3. 添加元素

添加元素的 add 方法如下。默认是添加到数组最后的位置的。这样添加还是很快的。

/**
 * 添加一个值，首先会确保容量
 *
 * @param e 要添加到此列表中的元素
 * @return true (as specified by {@link Collection#add})
 */
public boolean add(E e) {
    // 扩容
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    // 将e赋值给elementData的size+1的位置
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

加元素时使用 ensureCapacityInternal() 方法来保证容量足够。

/**
 * 得到最小扩容量
 *
 * @param minCapacity
 */
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    // 调用另一个方法
    ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}

// 首先计算capacity
private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        // 如果之前为空则扩容到DEFAULT_CAPACITY为10
        return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    return minCapacity;
}

/**
 * 判断是否需要扩容
 *
 * @param minCapacity
 */
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    // 增加结构修改计数器
    modCount++;
    // 如果最小需要空间比elementData的内存空间要大，则需要扩容
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);
}

如果不够时，需要使用 grow() 方法进行扩容，新容量的大小为 oldCapacity + (oldCapacity >> 1)，也就是旧容量的 1.5 倍。elementData 数组会随着实际元素个数的增多而重新分配。

/**
 * 扩容，以确保它可以至少持有由参数指定的元素的数目
 *
 * @param minCapacity 当前所需的最小容量
 */
private void grow(int minCapacity) {
    // 原始数据数组长度
    int oldCapacity = elementData.length;
    // 扩容至原来的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;
    // 若预设值大于默认的最大值检查是否溢出
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    // 调用Arrays.copyOf方法将elementData数组指向新的内存空间时newCapacity的连续空间
    // 并将elementData的数据复制到新的内存空间
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

扩容操作需要调用 Arrays.copyOf() 把原数组整个复制到新数组中，这个操作代价很高，因此最好在创建 ArrayList 对象时就指定大概的容量大小，减少扩容操作的次数。

也可以在指定索引处添加元素。这里需要的操作是将 index 位置及以后的元素搬运到 index + 1之后，这个操作开销挺大。

/**
 * 在ArrayList的index位置，添加元素element，会检查添加的位置和容量
 *
 * @param index   指定元素将被插入的索引
 * @param element 要插入的元素
 * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
 */
public void add(int index, E element) {
    // 判断index是否越界
    rangeCheckForAdd(index);
    // 扩容
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    // public static void arraycopy(Object src, int srcPos, Object dest, int destPos, int length)
    // src:源数组； srcPos:源数组要复制的起始位置； dest:目的数组； destPos:目的数组放置的起始位置； length:复制的长度
    // 将elementData从index位置开始，复制到elementData的index+1开始的连续空间
    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                     size - index);
    // 在elementData的index位置赋值element
    elementData[index] = element;
    // ArrayList的大小加一
    size++;
}

4. 获取元素

获取元素用 get 方法。即直接通过索引获取对应位置的元素，速度极快。

public E get(int index) {
    // 检查输入的索引有没有越界
    rangeCheck(index);
	// 返回数据数组指定索引的元素
    return elementData(index);
}

E elementData(int index) {
    return (E) elementData[index];
}

indexOf 用于返回一个值在数组首次出现的位置，会根据是否为 null 使用不同方式判断。不存在就返回 -1。时间复杂度为O(N)。

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;
}

lastIndexOf 方法效果类似，只是是反过来从后面找索引位置。

5. 更新元素

更新元素依然是通过索引来的。更新之后会返回原始索引处的旧元素。

public E set(int index, E element) {
    rangeCheck(index);	// 索引有效性检查
	// 获取旧元素
    E oldValue = elementData(index);
    // 设置新元素
    elementData[index] = element;
    // 返回旧元素
    return oldValue;
}

6. 基本方法

下面是一些很基础的方法。

public int size() {
    return size;
}
public boolean isEmpty() {
    return size == 0;
}
public boolean contains(Object o) {
    return indexOf(o) >= 0;
}

7. 序列化

ArrayList 基于数组实现，并且具有动态扩容特性，因此保存元素的数组不一定都会被使用，那么就没必要全部进行序列化。

保存元素的数组 elementData 使用 transient 修饰，该关键字声明数组默认不会被序列化。

transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access

ArrayList 实现了 writeObject() 和 readObject() 来控制只序列化数组中有元素填充那部分内容。数组没有存元素的部分不序列化。当写入到输出流时，先写入**“容量”**，再依次写入“每一个元素”；当读出输入流时，先读取“容量”，再依次读取“每一个元素”。

注意：序列化时也会检查 modCount，如果序列化时并发修改列表，可能造成 fail fast 而抛异常。

/**
 * 保存数组实例的状态到一个流（即序列化）。写入过程数组被更改会抛出异常
 *
 * @serialData The length of the array backing the ArrayList
 * instance is emitted (int), followed by all of its elements
 * (each an Object) in the proper order.
 */
private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
    throws java.io.IOException {
    // Write out element count, and any hidden stuff
    int expectedModCount = modCount;
    // 执行默认的反序列化/序列化过程。将当前类的非静态和非瞬态字段写入此流
    s.defaultWriteObject();

    // 写入大小
    s.writeInt(size);

    // 按顺序写入所有元素
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        s.writeObject(elementData[i]);
    }

    if (modCount != expectedModCount) {
        throw new ConcurrentModificationException();
    }
}

/**
 * 从流中重构ArrayList实例（即反序列化）。
 */
private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
    throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
    elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;

    // 执行默认的序列化/反序列化过程
    s.defaultReadObject();

    // 读入数组长度
    s.readInt(); // ignored

    if (size > 0) {
        // 像clone()方法 ，但根据大小而不是容量分配数组
        int capacity = calculateCapacity(elementData, size);
        SharedSecrets.getJavaOISAccess().checkArray(s, Object[].class, capacity);
        ensureCapacityInternal(size);

        Object[] a = elementData;
        //读入所有元素
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            a[i] = s.readObject();
        }
    }
}

序列化时需要使用 ObjectOutputStream 的 writeObject() 将对象转换为字节流并输出。而 writeObject() 方法在传入的对象存在 writeObject() 的时候会去反射调用该对象的 writeObject() 来实现序列化。反序列化使用的是 ObjectInputStream 的 readObject() 方法，原理类似。

ArrayList list = new ArrayList();
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(file));
oos.writeObject(list);

8. 删除元素

需要调用 System.arraycopy() 将 index + 1 后面的元素都复制到 index 位置上，该操作的时间复杂度为 O(N)，可以看出 ArrayList 删除元素的代价是非常高的。

注意：remove 操作会修改 modCount 值。

public E remove(int index) {
    // 判断是否越界
    rangeCheck(index);
    
    // remove操作会修改modCount值
    modCount++;
    // 读取旧值
    E oldValue = elementData(index);
    // 获取index位置开始到最后一个位置的个数
    int numMoved = size - index - 1;
    if (numMoved > 0)
        // 将elementData数组index+1位置开始拷贝到elementData从index开始的空间
        System.arraycopy(elementData, index + 1, elementData, index,
                         numMoved);
    // 使size-1 ，设置elementData的size位置为空，让GC来清理内存空间
    elementData[--size] = null; // 便于垃圾回收器回收

    return oldValue;
}

9. 迭代与删除

迭代器的常见误用就是在迭代的中间调用容器的删除方法。

List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("str1");
list.add("str2");
list.add("str3");
for (String s : list) {
    if ("str1".equals(s)) {
        // 这里使用了List接口提供的remove方法
        list.remove(s);
    }
}

这段代码看起来好像没有什么问题，但是如果我们运行，就会抛出 ConcurrentModificationException 异常。

其实这不是特例，每当我们使用迭代器遍历元素时，如果修改了元素内容（添加、删除元素），就会抛出异常，由于 foreach 同样使用的是迭代器，所以也有同样的情况。

返回迭代器源码。

public Iterator<E> iterator() {
    return new Itr();
}

返回的是一个内部类 Itr 的对象。

这个内部类如下：

/**
 * 通用的迭代器实现
 */
private class Itr implements Iterator<E> {
    int cursor;       // 游标，下一个元素的索引，默认初始化为0
    int lastRet = -1; // 上次访问的元素的位置
    
    // 记录获取迭代器时的modCount，迭代过程不运行修改数组，否则就抛出异常
    int expectedModCount = modCount;

    // 是否还有下一个
    public boolean hasNext() {
        return cursor != size;
    }

    // 下一个元素
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public E next() {
        // 检查数组是否被修改
        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;// 向后移动游标
        return (E) elementData[lastRet = i];// 设置访问的位置并返回这个值
    }

    // 删除元素
    public void remove() {
        if (lastRet < 0)
            throw new IllegalStateException();
        checkForComodification(); // 检查数组是否被修改
		// 用迭代器的删除方法会自己更新modCount值
        try {
            // 这里调用ArrayList自身的remove方法，这个方法会修改modCount值
            ArrayList.this.remove(lastRet);
            cursor = lastRet;
            lastRet = -1;
            // 修改迭代器内部的expectedModCount为删除后当前最新的modCount值，这样就不会抛异常
            expectedModCount = modCount;
        } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
            throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }

    @Override
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public void forEachRemaining(Consumer<? super E> consumer) {
        // 忽略....
    }

    // 检查数组是否被修改：就是判断当前列表的modCount与生成迭代器时的modCount是否一致
    final void checkForComodification() {
        if (modCount != expectedModCount)
            throw new ConcurrentModificationException();
    }
}

可以明显的看到共有两个remove()方法，一个属于 ArrayList 本身，还有一个属于其内部类 Itr。

ArrayList 类中有一个 modCount 属性，这个属性是继承自 AbstractList，其保存了我们对 ArrayList 进行的的操作次数，当我们添加或者删除元素时，modeCount 都会进行对应次数的增加。相当于记录了结构性变化，即添加、插入、删除元素，只是修改元素的内容不算结构性变化。

在我们使用 ArrayList 的 iterator() 方法获取到迭代器进行遍历时，会把 ArrayList 当前状态下的 modCount 赋值给 Itr 类的 expectedModCount 属性，相当于创建迭代器时候对 modCount 的一个版本快照。如果我们在迭代过程中，使用了 ArrayList 的 remove()或add()方法，这时 modCount 就会加 1 ，但是迭代器中的 expectedModeCount 并没有变化，当我们再使用迭代器的next()方法时，它会调用checkForComodification()方法，通过对比发现现在的 modCount 已经与 expectedModCount 不一致了，则会抛出ConcurrentModificationException异常。

但是如果使用内部类 Itr 迭代器提供的remove()方法，它会调用 ArrayList 提供的 remove方法，同时还有一个操作：expectedModCount = modCount;，这会修改当前迭代器内部记录的 expectedModCount 的值，所以就不会存在版本不一致问题。

综上：在单线程的遍历过程中，如果要进行 remove 操作，应该调用迭代器的 remove 方法而不是集合类的 remove 方法。

PS：这里讨论的是迭代删除时使用 ArrayList 的 remove 方法，普通使用 ArrayList 的 remove 方法是没问题的。

Fail-Fast 机制

1. 概述

通过上面的例子可以引出 Fail-fast 机制，即快速失败机制，是 Java 集合(Collection)中的一种错误检测机制。当在序列化或者迭代集合的过程中该集合在结构上发生改变的时候，就有可能会发生 fail-fast，即抛出 ConcurrentModificationException 异常。

Fail-fast 机制并不保证在不同步的修改下一定会抛出异常，它只是尽最大努力去抛出，所以这种机制一般仅用于检测 bug。

在我们常见的 Java 集合中就可能出现 fail-fast 机制，比如 ArrayList，HashMap。

在多线程和单线程环境下都有可能出现 Fail-fast。

modCount 属性是继承自 AbstractList 的，用来记录 结构发生变化的次数。结构发生变化是指添加或者删除至少一个元素的所有操作，或者是调整内部数组的大小，仅仅只是设置元素的值不算结构发生变化。可以用于检查并发修改的情况。

protected transient int modCount = 0;

modCount 此字段由 iterator 和 listiterator 方法返回的迭代器和列表迭代器实现使用。子类是否使用此字段是可选的。

如果子类希望提供快速失败迭代器（和列表迭代器），则它只需在其 add(E e) 和 remove(int) 方法（以及它所重写的、导致列表结构上修改的任何其他方法）中增加此字段。

2. 避免fail-fast

方法1

在单线程的遍历过程中，如果要进行 remove 操作，应该调用迭代器的 remove 方法而不是集合类的 remove 方法。

方法2

使用并发包 (java.util.concurrent) 中的类来代替 ArrayList 和 HashMap。如 CopyOnWriterArrayList 代替 ArrayList。使用 ConcurrentHashMap 替代 HashMap。

Arrays.asList()

Arrays 类的静态方法 asList() 将数组转为集合。

String[] str = new String[]{"1","2","3"};
List aslist = Arrays.asList(str);
aslsit.add("4");
// Exception in thread "main" java.lang.UnsupportedOperationException
//    at java.util.AbstractList.add(Unknown Source)
//    at java.util.AbstractList.add(Unknown Source)
//    at test.LinkedListTest.main(LinkedListTest.java:13)

其实 asList() 返回的是 java.util.Arrays.ArrayList 对象，不是上述的 ArrayList 类！！！！

看 Arrays 类的部分源码

public class Arrays {
    
    // 省略其他方法
 
    public static <T> List<T> asList(T... a) {
        return new ArrayList<>(a);
    }
        
    // 就是这个家伙             
    private static class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
            implements RandomAccess, java.io.Serializable{
    
        private final E[] a;
    
        ArrayList(E[] array) {
            a = Objects.requireNonNull(array);
        }
    
        @Override
        public int size() {
            return a.length;
        }
        //省略其他方法
    }
}

Arrays.ArrayList 是工具类 Arrays 的一个内部静态类，它没有完全实现 List 的方法，而 ArrayList 直接实现了List 接口，实现了 List 所有方法。Arrays.ArrayList 是一个定长集合，因为它没有重写 add, remove 方法，所以一旦初始化元素后，集合的 size 就是不可变的。所以使用这种方法会抛 UnsupportedOperationException 异常。

正确的使用方式：

String[] str = new String[]{"1","2","3"};
ArrayList al = new ArrayList(Arrays.asList(str)); // 将数组元素添加到集合的一种快捷方式

线程安全

ArrayList 底层是以数组方式实现的，实现了可变大小的数组，它允许所有元素，包括 null。如果开启多个线程同时操作 List 集合，向 ArrayList 中增加元素，同时去除元素可能会出现一些问题，如数组下标越界异常。

在多线程情况下操作ArrayList 并不是线性安全的。

如何解决？

① 使用 Vertor 集合。

② 使用 Collections.synchronizedList。它会自动将我们的 list 方法进行改变，最后返回给我们一个加锁了的 List。

protected static List<Object> arrayListSafe2 = Collections.synchronizedList(new ArrayList<Object>());  

③ 使用 JUC 中的 CopyOnWriteArrayList 类进行替换。

参考资料

• ArrayList线程安全问题