ArrayList源码解析与性能优化
ArrayList源码解析与性能优化
ArrayList是Java集合框架中最常用的动态数组实现之一，它提供了动态扩容、随机访问等特性，适用于大多数场景。
1. ArrayList简介
ArrayList实现了List接口，基于动态数组实现。它允许存储任意类型的元素，并根据需要动态调整容量。在添加、删除元素时，ArrayList会自动进行扩容和缩容操作。
为保证效率，ArrayList没有实现同步(synchronized)为非线程安全集合，如需并发访问，用户需手动同步，也可使用Vector代替。
2. ArrayList类结构
2.1 类层次结构
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
// ...
}
ArrayList继承自AbstractList，实现了List接口。- 实现了
RandomAccess接口，表示支持快速随机访问。 - 实现了
Cloneable接口，表示可以进行克隆。 - 实现了
Serializable接口，表示支持序列化。
2.2 常量与变量
// 默认初始容量
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
// 用于空ArrayList实例的共享空数组
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
// 用于默认大小的空ArrayList实例的共享空数组
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
// 存储ArrayList元素的数组缓冲区
transient Object[] elementData;
// ArrayList实际元素数量
private int size;
3. ArrayList构造方法
3.1 默认构造方法
// 无参构造方法，创建一个空的ArrayList
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
3.2 指定初始容量构造方法
// 指定初始容量的构造方法
public ArrayList(int initialCapacity) {
if (initialCapacity > 0) {
// 创建指定大小的数组
this.elementData = new Object[initialCapacity];
} else if (initialCapacity == 0) {
// 创建空数组
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
} else {
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: " +
initialCapacity);
}
}
4. ArrayList扩容机制
ArrayList在添加元素时会自动进行扩容，其扩容机制如下：
// 添加元素
public boolean add(E e) {
// 确保容量足够
ensureCapacityInternal(size + 1);
// 将元素添加到数组末尾
elementData[size++] = e;
return true;
}
// 确保容量足够
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
// 扩容
ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}
// 计算数组容量
private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
// 如果数组是空数组，取默认容量和minCapacity的较大值
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
return minCapacity;
}
// 扩容
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
// 记录修改次数
modCount++;
// 如果minCapacity大于数组容量，需要进行扩容
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}
// 扩容策略
private void grow(int minCapacity) {
// 当前数组容量
int oldCapacity = elementData.length;
// 新数组容量，扩容为原容量的1.5倍 oldCapacity >> 1 右移：向右除以2的移动位数次幂
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
// 如果新容量仍然小于minCapacity，则使用minCapacity
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
// 如果新容量超过最大数组容量，使用Integer.MAX_VALUE
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
// 复制数组
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
注意：
ArrayList的自动扩容时会将老数组中的元素重新拷贝一份到新的数组中，并且扩容的大小为原容量的1.5倍。
5. ArrayList性能优化建议
5.1 指定初始容量
在创建ArrayList时，如果能够预估元素的数量，最好通过构造方法指定初始容量，避免动态扩容带来的性能开销。
List<String> list = new ArrayList<>(1000);
5.2 批量操作时设置初始容量
如果事先知道要添加的元素数量很大，最好在创建ArrayList时设置一个足够大的初始容量，避免多次扩容。
List<String> list = new ArrayList<>(10000);
list.addAll(anotherList);
5.3 ensureCapacity方法手动扩容
根据实际需求，通过调用ensureCapacity方法来手动增加ArrayList实例的容量
public void ensureCapacity(int minCapacity) {
// 获取最小容量
int minExpand = (elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)
? 0
: DEFAULT_CAPACITY;
// 如果minCapacity大于数组最小容量，则进行扩容
if (minCapacity > minExpand) {
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
}
5.4 使用Iterator遍历
在遍历ArrayList时，最好使用Iterator而不是通过索引访问元素。因为通过索引访问元素的方式在LinkedList上效率较高，但在ArrayList上会产生不必要的性能开销。
List<String> list = new ArrayList<>();
// 不推荐
for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
System.out.println(list.get(i));
}
// 推荐
for (String s : list) {
System.out.println(s);
}
5.5 使用subList避免大量截取
在ArrayList上使用subList方法生成子列表时，尽量避免在大量数据上进行截取。因为subList方法返回的子列表并不是一个新的ArrayList，而是原列表的一个视图，操作子列表可能会影响到原列表。
List<String> list = new ArrayList<>();
List<String> subList = list.subList(0, 10);