ArrayList底层原理
ArrayList是最常用的集合，底层是用数组实现的，继承AbstractList类，实现了List，RandomAccess，Cloneable和Serializable接口，非线程安全。
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初始化
有两个构造方法，一个带参数的是自己指定大小，一个不带参数的则是默认大小为10，可以看到如果是使用默认构造方法的话，不会立刻初始化一个大小为10的数组，而是指向了一个空数组，这是为了避免初始化之后又没插入数据而带来的空间浪费。
// 默认大小 private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10; // 空数组 private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {}; // 默认构造方法使用的空数组 private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {}; // 真实存放数据的数组 transient Object[] elementData; // 指定大小的构造方法 public ArrayList(int initialCapacity) { if (initialCapacity > 0) { // 按照参数初始化数组 this.elementData = new Object[initialCapacity]; } else if (initialCapacity == 0) { // 设置空数组 this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA; } else { throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+ initialCapacity); } } // 默认构造方法 public ArrayList() { // 初始化为空的数组 this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA; } -
add()方法
这个方法是直接往list里面添加元素，可以看到它会判断数组是否初始化了，如果没有这个时候才会真正的初始化数组，然后直接把元素放到数组中，时间复杂度是O(1)。
// 在数组最后面添加一个元素 public boolean add(E e) { // 检查容量 ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!! elementData[size++] = e; return true; } // 检查容量是否足够的方法 private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) { // 判断是否需要初始化数组 ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity)); } // 判断是否需要初始化数组 private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) { // 如果数组是空的，创建一个长度10的数组 if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) { return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity); } // 不为空直接返回当前的长度 return minCapacity; } private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) { modCount++; // 添加后的长度要比数组大，需要调用grow()方法扩容 // overflow-conscious code if (minCapacity - elementData.length > 0) grow(minCapacity); } -
set(int index, E element)方法
这个方法是覆盖一索引上的旧值，然后返回这个旧值，可以看到就是判断下索引越界问题，然后获取数组中的值返回，再把新值放进去，时间复杂度是O(1)。
public E set(int index, E element) { rangeCheck(index); E oldValue = elementData(index); elementData[index] = element; return oldValue; } private void rangeCheck(int index) { if (index >= size) throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index)); } -
add(int index, E element)方法
这个方法和无参的add()方法的区别就是不是在数组后面顺序添加，而是指定位置的插入，可以看到检查是否扩容的逻辑没有变，主要是多了一步copy数组的操作，比如一个数组是[1,2,3,4,5]，需要在索引1的位置插入一个10，会先从索引1的位置copy数组，把后面的数字都往后挪一位[1,2,2,3,4,5]，然后再把索引1的2改为10，就成了[1,10,2,3,4,5]，这个操作的时间复杂度就是O(n)了，因为最坏的情况就是插入到索引0，整个数组的值都要挪动一位。
// 插入指定索引 public void add(int index, E element) { // 检查索引越界 rangeCheckForAdd(index); // 检查容量 ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!! // copy数组，在要插入的索引位置开始一直到最后一个值，整体往后挪一格，然后把新值填入要插入的索引中 System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index); elementData[index] = element; size++; } // 检查容量是否足够的方法 private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) { // 判断是否需要初始化数组 ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity)); } // 判断是否需要初始化数组 private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) { // 如果数组是空的，创建一个长度10的数组 if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) { return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity); } // 不为空直接返回当前的长度 return minCapacity; } private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) { modCount++; // 添加后的长度要比数组大，需要调用grow()方法扩容 // overflow-conscious code if (minCapacity - elementData.length > 0) grow(minCapacity); } -
addAll(Collection c)方法
这个方法是直接把另一个集合里的值追加进来，判断一下容量，然后直接把要追加的里面的值copy过来，时间复杂度是O(n)，n是追加集合的长度。
public boolean addAll(Collection c) { Object[] a = c.toArray(); int numNew = a.length; ensureCapacityInternal(size + numNew); // Increments modCount System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew); size += numNew; return numNew != 0; } -
addAll(int index, Collection c)方法
追加集合的方法也可以指定索引，就是addAll(Collection c)和add(int index, E element)的结合版，计算出索引后面的值要移动的位置进行移动，再把追加的集合的值copy到指定索引，时间复杂度也是O(n)，但是n是追加集合的长度+数组移动元素的长度。
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; if (numMoved > 0) System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew, numMoved); System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew); size += numNew; return numNew != 0; } -
get()方法
get()方法，没啥好说的了，直接就是在数组里取值，时间复杂度也是O(1)。
public E get(int index) { rangeCheck(index); return elementData(index); } -
remove()方法
remove()方法和插入方法很类似，但是更简单，直接把值取出来返回，然后把后面的值全部都往前挪一位，最后还把空出的那个索引位置置空让虚拟机GC清理，时间复杂度也是O(n)。
public E remove(int index) { rangeCheck(index); modCount++; // 获取指定索引的值 E oldValue = elementData(index); // 将删除的索引右边的值往前移动 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; } -
size()方法
获取大小也是时间复杂度为O(1)，直接读取变量值。
private int size; public int size() { return size; } -
indexOf()/contains()方法
这两个方法是用来获取指定目标索引和判断是否包含指定目标，
contains()方法是调用indexOf()方法，而indexOf()方法是遍历判断，所以时间复杂度是O(n)。public boolean contains(Object o) { return indexOf(o) >= 0; } 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; } -
扩容
上面看到很多方法都会调用到
grow()方法，也就是核心的扩容方法，可以看到本质上就是先使用位运算符来扩容1.5倍，再copy到一个新的数组，替代原来那个旧的数组。private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8; private void grow(int minCapacity) { // oldCapacity是存放数据数组的长度，也就是当前集合的长度 // overflow-conscious code int oldCapacity = elementData.length; // newCapacity是计算出来的新长度，>>运算符是右移一位，相当于除以2，所以扩容是原来大小的1.5倍 int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // 扩容完之后还是不够用就直接拿所需要的最小容量作为容量值 if (newCapacity - minCapacity < 0) newCapacity = minCapacity; // 新容量大于MAX_ARRAY_SIZE，直接使用Integer.MAX_VALUE作为新容量 if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0) newCapacity = hugeCapacity(minCapacity); // minCapacity is usually close to size, so this is a win: // 把原来数组中的值copy到一个新的数组中 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; } -
内部类ListItr
这个类实现了
ListIterator接口，而ListIterator又继承了Iterator接口，是一个功能更加强大的迭代器。// 将指定的元素插入列表，插入位置为迭代器当前位置之前 add(E e); // 以正向遍历列表时，如果列表迭代器后面还有元素，则返回 true，否则返回false hasNext(); // 如果以逆向遍历列表，列表迭代器前面还有元素，则返回 true，否则返回false hasPrevious(); // 返回列表中ListIterator指向位置后面的元素 next(); // 返回列表中ListIterator所需位置后面元素的索引 nextIndex(); // 返回列表中ListIterator指向位置前面的元素 previous(); // 返回列表中ListIterator所需位置前面元素的索引 previousIndex(); // 从列表中删除next()或previous()返回的最后一个元素 remove(); // 从列表中将next()或previous()返回的最后一个元素返回的最后一个元素更改为指定元素e set(E e);
总结
- 初始化的时候不指定大小时，只有在添加第一个元素时才会真正的创建底层数组。
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add()/set(int index, E element)/get(int index)/size()方法的时间复杂度都是O(1)，因为不需要copy移动数组。 -
add(int index, E element)/remove(int index)/addAll(int index, Collection c)/addAll(Collection c)的时间复杂度是O(n)，因为都需要copy移动数组，而indexOf()/contains()方法则是需要遍历寻找，时间复杂度也是O(n)。 - 每次扩容都会扩容到旧长度的1.5倍，再copy旧数组的值到新数组中。
- 内部实现了
ListIterator接口，有着功能更强大的迭代器。