ArrayList源码分析

ArrayList

ArrayList就是传说中的动态数组，就是Array的复杂版本，它提供了如下一些好处：动态的增加和减少元素、灵活的设置数组的大小.

ArrayList的定义：

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>  implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable

从ArrayList<E>可以看出它是支持泛型的，它继承自AbstractList，实现了List、RandomAccess、Cloneable、java.io.Serializable接口。

  • AbstractList提供了List接口的默认实现（个别方法为抽象方法）。
  • List接口定义了列表必须实现的方法。
  • RandomAccess是一个标记接口，接口内没有定义任何内容。
  • 实现了Cloneable接口的类，可以调用Object.clone方法返回该对象的浅拷贝。
  • 通过实现 java.io.Serializable 接口以启用其序列化功能。未实现此接口的类将无法使其任何状态序列化或反序列化。序列化接口没有方法或字段，仅用于标识可序列化的语义。

ArrayList的属性

ArrayList定义只定义类两个私有属性：

 /** 
  * The array buffer into which the elements of the ArrayList are stored. 
  * The capacity of the ArrayList is the length of this array buffer. 
  */  
 private transient Object[] elementData;  

 /** 
  * The size of the ArrayList (the number of elements it contains). 
  * 
  * @serial 
  */  
 private int size;

很容易理解，elementData存储ArrayList内的元素，size表示它包含的元素的数量。
有个关键字需要解释：transient。
Java的serialization提供了一种持久化对象实例的机制。当持久化对象时，可能有一个特殊的对象数据成员，我们不想用serialization机制
来保存它。为了在一个特定对象的一个域上关闭serialization，可以在这个域前加上关键字transient。
tansient是Java语言的关键字，用来表示一个域不是该对象串行化的一部分。当一个对象被串行化的时候，transient型变量的值不包括在串行化的表示中，然而非transient型的变量是被包括进去的。

有点抽象，看个例子应该能明白。

public class UserInfo implements Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 996890129747019948L;
    private String name;
    private transient String psw;

    public UserInfo(String name, String psw) {
        this.name = name;
        this.psw = psw;
    }

    public String toString() {
        return "name=" + name + ", psw=" + psw;
    }
}

public class TestTransient {
    public static void main(String[] args) {
        UserInfo userInfo = new UserInfo("张三", "123456");
        System.out.println(userInfo);
        try {
            // 序列化，被设置为transient的属性没有被序列化
            ObjectOutputStream o = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("UserInfo.out"));
            o.writeObject(userInfo);
            o.close();
        } catch (Exception e) {
            // TODO: handle exception
            e.printStackTrace();
        }
        try {
            // 重新读取内容
            ObjectInputStream in = new ObjectInputStream(new FileInputStream("UserInfo.out"));
            UserInfo readUserInfo = (UserInfo) in.readObject();
            // 读取后psw的内容为null
            System.out.println(readUserInfo.toString());
        } catch (Exception e) {
            // TODO: handle exception
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

被标记为transient的属性在对象被序列化的时候不会被保存。

ArrayList的构造方法

看完属性看构造方法。ArrayList提供了三个构造方法

/** 
 * Constructs an empty list with the specified initial capacity. 
 */  
public ArrayList(int initialCapacity) {  
     super();  
    if (initialCapacity < 0)  
        throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+  
                                           initialCapacity);  
    this.elementData = new Object[initialCapacity];  
}

/** 
 * Constructs an empty list with an initial capacity of ten. 
 */  
public ArrayList() {
    this(10);  
}

/** 
 * Constructs a list containing the elements of the specified 
 * collection, in the order they are returned by the collection's 
 * iterator. 
 */  
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {  
    elementData = c.toArray();  
    size = elementData.length;  
    // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)  
    if (elementData.getClass() != Object[].class)  
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);  
}

第一个构造方法使用提供的initialCapacity来初始化elementData数组的大小。第二个构造方法调用第一个构造方法并传入参数10，即默认elementData数组的大小为10。第三个构造方法则将提供的集合转成数组返回给elementData（返回若不是Object[]将调用Arrays.copyOf方法将其转为Object[]）。

ArrayList的其他方法

  • add(E e)

add(E e)都知道是在尾部添加一个元素，如何实现的呢？

/**
 * Appends the specified element to the end of this list.
 *
 * @param e element to be appended to this list
 * @return <tt>true</tt> (as specified by {@link Collection#add})
 */
public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

书上都说ArrayList是基于数组实现的，属性中也看到了数组，具体是怎么实现的呢？比如就这个添加元素的方法，如果数组足够大，则在将某个位置的值设置为指定元素即可，如果数组容量不够了呢？

看到add(E e)中先调用了ensureCapacityInternal(size + 1)方法，之后将元素赋给elementData[size]，而后size自增。例如：初次添加时，size为0，add将elementData[0]赋值为e，然后size设置为1（类似执行以下两条语句elementData[0]=e;size=1）。将元素赋给elementData[size++]不会出现数组越界的情况吗？这里关键就在ensureCapacityInternal(size + 1)中了。

根据ensureCapacityInternal的方法名可以知道是确保容量用的。ensureCapacityInternal(size + 1)后面的注释可以明白是增加modCount的值（加了俩感叹号，应该蛮重要的，来看看）。

/**
 * Default initial capacity.
*/
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

/**
 * Shared empty array instance used for default sized empty instances. We
 * distinguish this from EMPTY_ELEMENTDATA to know how much to inflate when
 * first element is added.
 */
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    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);
}

/**
 * The maximum size of array to allocate.
 * Some VMs reserve some header words in an array.
 * Attempts to allocate larger arrays may result in
 * OutOfMemoryError: Requested array size exceeds VM limit
 */
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

/**
 * Increases the capacity to ensure that it can hold at least the
 * number of elements specified by the minimum capacity argument.
 *
 * @param minCapacity the desired minimum capacity
 */
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);
}

判断minCapacity（即size+1）是否大于oldCapacity（即elementData.length），若大于，则调整容量为oldCapacity + (oldCapacity >> 1)。调整elementData容量为新的容量，即返回一个内容为原数组元素，大小为新容量的数组赋给elementData；否则不做操作。

容量的拓展将导致数组元素的复制，多次拓展容量将执行多次整个数组内容的复制。若提前能大致判断list的长度，调用ensureCapacity调整容量，将有效的提高运行速度。

可以理解提前分配好空间可以提高运行速度，但是测试发现提高的并不是很大，而且若list原本数据量就不会很大效果将更不明显。

  • add(int index, E element)

add(int index,E element)在指定位置插入元素。

public void add(int index, E element) {
    if (index > size || index < 0)
        throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+", Size: "+size);

    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                     size - index);
    elementData[index] = element;
    size++;
}

首先判断指定位置index是否超出elementData的界限，之后调用ensureCapacityInternal调整容量（若容量足够则不会拓展），调用System.arraycopy将elementData从index开始的size-index个元素复制到index+1至size+1的位置（即index开始的元素都向后移动一个位置），然后将index位置的值指向element。

  • addAll(Collection<? extends E> c)

addAll(Collection<? extends E> c) 将c中的全部元素添加到集合的末尾

public boolean addAll(Collection<? extends E> 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;
}

先将集合c转换成数组，根据转换后数组的长度和ArrayList的size拓展容量，之后调用System.arraycopy方法复制元素到elementData的尾部，调整size。根据返回的内容分析，只要集合c的大小不为0则返回true。

  • addAll(int index,Collection<? extends E> c)

addAll(int index,Collection<? extends E> c) 在指定位置将c中的全部元素添加到集合

public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
    if (index > size || index < 0)
        throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+", Size: "+size);

    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;
}

先判断index是否越界。其他内容与addAll(Collection<? extends E> c)基本一致，只是复制的时候先将index开始的元素向后移动X（c转为数组后的长度）个位置（也是一个复制的过程），之后将数组内容复制到elementData的index位置至index+X。

  • clear()

clear() 清空集合

public void clear() {
    modCount++;

    // clear to let GC do its work
    for (int i = 0; i < size; i++)
        elementData[i] = null;

    size = 0;
}

clear的时候并没有修改elementData的长度（好不容易申请、拓展来的，凭什么释放，留着搞不好还有用呢。这使得确定不再修改list内容之后最好调用trimToSize来释放掉一些空间），只是将所有元素置为null，size设置为0。

  • clone()

返回此 ArrayList 实例的浅表副本。（浅层复制，不复制这些元素本身。）

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);
    }
}

调用父类的clone方法返回一个对象的副本，将返回对象的elementData数组的内容赋值为原对象elementData数组的内容，将副本的modCount设置为0。

  • contains(Object o)

contains(Object o)如果集合包含指定的元素，则返回值为true。注意：元素的值可以为null

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

indexOf方法返回值与0比较来判断对象是否在list中。接着看indexOf。

  • indexOf(Object o)

indexOf(Object o) 返回指定元素在集合中的位置，如果不存在则返回-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;
}

通过遍历elementData数组来判断对象是否在list中，若存在，返回index（[0, size-1]），若不存在则返回-1。所以contains方法可以通过indexOf(Object)方法的返回值来判断对象是否被包含在list中。发现contains方法判断是否包含指定元素，调用的是equals方法

  • lastIndexOf(Object o)

lastIndexOf(Object o)返回指定元素在集合中最后一次出现的位置，如果不存在则返回-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;
}

采用了从后向前遍历elementData数组，若遇到Object则返回index值，若没有遇到，返回-1。

  • get(int index)

get(int index) 返回指定位置的元素，如果index超出数组界限了，就抛出IndexOutBoundsException异常

public E get(int index) {
    if (index >= size)
        throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+", Size: "+size);

    return elementData(index);
}
  • remove(int index)

remove(int index) 移除指定位置的元素，并把元素返回。

public E remove(int index) {
    if (index >= size)
        throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+", Size: "+size);

    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;
}

首先是检查范围，修改modCount，保留将要被移除的元素，将移除位置之后的元素向前挪动一个位置，将list末尾元素置空（null），返回被移除的元素。

  • remove(Object o)

remove(Object o) 移除指定的元素，移除成功则返回true。注意：传入的元素可为null

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);
                return true;
            }
    }
    return false;
}

首先通过代码可以看到，当移除成功后返回true，否则返回false。remove(Object o)中通过遍历elementData寻找是否存在传入对象，一旦找到就调用fastRemove移除对象。为什么找到了元素就知道了index，不通过remove(index)来移除元素呢？因为fastRemove跳过了判断边界的处理，因为找到元素就相当于确定了index不会超过边界，而且fastRemove并不返回被移除的元素。下面是fastRemove的代码，基本和remove(index)一致。

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
}
  • set(int index, E element)

set(int index, E element) 将集合中指定位置的元素替换为指定元素，并返回被替换的元素

public E set(int index, E element) {
    if (index >= size)
        throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+", Size: "+size);

    E oldValue = elementData(index);
    elementData[index] = element;
    return oldValue;
}
  • toArray()

toArray()返回集合的数组表示形式

public Object[] toArray() {
    return Arrays.copyOf(elementData, size);
}
  • trimToSize()

trimToSize() 将集合的容量整理至集合实际包含的元素个数

public void trimToSize() {
    modCount++;
    if (size < elementData.length) {
        elementData = (size == 0)
          ? EMPTY_ELEMENTDATA
          : Arrays.copyOf(elementData, size);
    }
}

关于modCount

/**
 * The number of times this list has been <i>structurally modified</i>.
 * Structural modifications are those that change the size of the
 * list, or otherwise perturb it in such a fashion that iterations in
 * progress may yield incorrect results.
 *
 * <p>This field is used by the iterator and list iterator implementation
 * returned by the {@code iterator} and {@code listIterator} methods.
 * If the value of this field changes unexpectedly, the iterator (or list
 * iterator) will throw a {@code ConcurrentModificationException} in
 * response to the {@code next}, {@code remove}, {@code previous},
 * {@code set} or {@code add} operations.  This provides
 * <i>fail-fast</i> behavior, rather than non-deterministic behavior in
 * the face of concurrent modification during iteration.
 *
 * <p><b>Use of this field by subclasses is optional.</b> If a subclass
 * wishes to provide fail-fast iterators (and list iterators), then it
 * merely has to increment this field in its {@code add(int, E)} and
 * {@code remove(int)} methods (and any other methods that it overrides
 * that result in structural modifications to the list).  A single call to
 * {@code add(int, E)} or {@code remove(int)} must add no more than
 * one to this field, or the iterators (and list iterators) will throw
 * bogus {@code ConcurrentModificationExceptions}.  If an implementation
 * does not wish to provide fail-fast iterators, this field may be
 * ignored.
 */
protected transient int modCount = 0;

在父类AbstractList中定义了一个int型的属性：modCount，记录了ArrayList结构性变化的次数。

在ArrayList的所有涉及结构变化的方法中都增加modCount的值，包括：add()、remove()、addAll()、removeRange()及clear()方法。这些方法每调用一次，modCount的值就加1。

关于迭代器

  • Iterator<E> iterator()

iterator()方法是在AbstractList中实现的，该方法返回AbstractList的一个内部类Itr的对象。

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

private class Itr implements Iterator<E> {
    
    int cursor = 0; //标记位：标记遍历到哪一个元素
    int expectedModCount = modCount; //标记位：用于判断在遍历的过程中，是否发生了add、remove等操作

    //检测对象数组是否还有元素
    public boolean hasNext() {
        return cursor != size(); //如果cursor==size，说明已经遍历完了，上一次遍历的是最后一个元素
    }

    //获取元素
    public E next() {
        checkForComodification(); //检测在遍历的过程中，是否发生了add、remove等操作
        try {
            E next = ArrayList.this.get(cursor++);
            return next;
        } catch (IndexOutOfBoundsException e) { //捕获get(cursor++)方法的IndexOutOfBoundsException
            checkForComodification();
            throw new NoSuchElementException();
        }
    }
    
    //移除元素
    public void remove() {
        checkForComodification();
        try {
            ArrayList.this.remove(cursor--);
            expectedModCount = modCount;
        } catch (IndexOutOfBoundsException ex) { //捕获IndexOutOfBoundsException
            throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }

    //检测在遍历的过程中，是否发生了add、remove等操作
    final void checkForComodification() {
        if (modCount != expectedModCount) //发生了add、remove等操作,这个我们可以查看add等的源代码，发现会出现modCount++
            throw new ConcurrentModificationException();
    }
}

对集合的遍历操作，无论是for(int i=0; i<list.size(); i++)，还是增强for循环，进行编译之后都会解除语法糖，变成迭代器的形式。

现在对modCount和expectedModCount的作用应该非常清楚了。在对一个集合进行跌代操作的同时，并不限制对集合的元素进行操作。但当这些操作包括一些可能引起跌代错误的add()或remove()等危险操作时，就会抛出ConcurrentModificationException。 这就是modCount和expectedModCount的作用所在。在迭代过程中，如果要移除集合中的元素，必须要使用it.remove()，否则会抛出ConcurrentModificationException

总结

  • ArrayList基于数组方式实现，无容量的限制（会自动扩容），每次以当前容量的50%进行扩容，即：10-->15-->22-->33....
  • 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，将删除掉的位置元素置为null，下次gc就会回收这些元素所占的内存空间。
  • 线程不安全
  • add(int index, E element)：添加元素到数组中指定位置的时候，需要将该位置及其后边所有的元素都整块向后复制一位
  • get(int index)：获取指定位置上的元素时，可以通过索引直接获取（O(1)）
  • remove(Object o)需要遍历数组（底层调用元素的equals方法）
  • remove(int index)不需要遍历数组，只需判断index是否符合条件即可，效率比remove(Object o)高，需要将该位置之后的所有元素都整块往前复制一位
  • contains(E)需要遍历数组（底层调用元素的equals方法）
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