Java集合源码分析（二）ArrayList

ArrayList简介

　　ArrayList是基于数组实现的，是一个动态数组，其容量能自动增长，类似于C语言中的动态申请内存，动态增长内存。

　　ArrayList不是线程安全的，只能用在单线程环境下，多线程环境下可以考虑用Collections.synchronizedList(List l)函数返回一个线程安全的ArrayList类，也可以使用concurrent并发包下的CopyOnWriteArrayList类。

　　ArrayList实现了Serializable接口，因此它支持序列化，能够通过序列化传输，实现了RandomAccess接口，支持快速随机访问，实际上就是通过下标序号进行快速访问，实现了Cloneable接口，能被克隆。

ArrayList源码

　　ArrayList的源码如下（加入了简单的注释，版本号为1.56）：

 /**@(#)ArrayList.java 1.56 06/04/21* Copyright 2006 Sun Microsystems, Inc. All rights reserved.* SUN PROPRIETARY/CONFIDENTIAL. Use is subject to license terms.*/package java.util;/*** @author  Josh Bloch* @author  Neal Gafter* @version 1.56, 04/21/06* @see       Collection* @see       List* @see     LinkedList* @see       Vector* @since   1.2*/public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;// ArrayList基于该数组实现，用该数组保存数据private transient Object[] elementData;// 实际大小private int size;// 带容量大小的构造函数public ArrayList(int initialCapacity) {super();if (initialCapacity < 0)throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+initialCapacity);this.elementData = new Object[initialCapacity];}// 默认构造函数public ArrayList() {this(10);}// Collection构造函数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);}// 当前容量值为实际个数public void trimToSize() {modCount++;int oldCapacity = elementData.length;if (size < oldCapacity) {elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);}}// 确定ArrayList容量// 若容量不足以容纳当前全部元素，则扩容，新的容量=“(原始容量x3)/2 + 1”public void ensureCapacity(int minCapacity) {modCount++;int oldCapacity = elementData.length;if (minCapacity > oldCapacity) {Object oldData[] = elementData;int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1;if (newCapacity < minCapacity)newCapacity = minCapacity;// minCapacity is usually close to size, so this is a win:elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);}}// 返回实际大小public int size() {return size;}// 清空public boolean isEmpty() {return size == 0;}// 是否包含opublic boolean contains(Object o) {return indexOf(o) >= 0;}// 正向查找，返回o的indexpublic 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;}// 逆向查找，返回o的indexpublic 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;}// 克隆函数public Object clone() {try {ArrayList<E> v = (ArrayList<E>) super.clone();v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);v.modCount = 0;return v;} catch (CloneNotSupportedException e) {// this shouldn't happen, since we are Cloneablethrow new InternalError();}}// 返回ArrayList的Object数组public Object[] toArray() {return Arrays.copyOf(elementData, size);}// 返回ArrayList组成的数组public <T> T[] toArray(T[] a) {if (a.length < size)// Make a new array of a's runtime type, but my contents:return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass());System.arraycopy(elementData, 0, a, 0, size);if (a.length > size)a[size] = null;return a;}// Positional Access Operations// 得到index位置的元素public E get(int index) {RangeCheck(index);return (E) elementData[index];}// 向index插入elementpublic E set(int index, E element) {RangeCheck(index);E oldValue = (E) elementData[index];elementData[index] = element;return oldValue;}// 添加epublic boolean add(E e) {ensureCapacity(size + 1);  // Increments modCount!!elementData[size++] = e;return true;}// 向index插入elementpublic void add(int index, E element) {if (index > size || index < 0)throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+", Size: "+size);ensureCapacity(size+1);  // Increments modCount!!System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,size - index);elementData[index] = element;size++;}// 移除index位置的元素public E remove(int index) {RangeCheck(index);modCount++;E oldValue = (E) elementData[index];int numMoved = size - index - 1;if (numMoved > 0)System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,numMoved);elementData[--size] = null; // Let gc do its workreturn oldValue;}// 移除opublic 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;}// 快速移除index位置的元素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; // Let gc do its work}// 清空public void clear() {modCount++;// Let gc do its workfor (int i = 0; i < size; i++)elementData[i] = null;size = 0;}// 添加Collectionpublic boolean addAll(Collection<? extends E> c) {Object[] a = c.toArray();int numNew = a.length;ensureCapacity(size + numNew);  // Increments modCountSystem.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);size += numNew;return numNew != 0;}// 在index添加Collectionpublic 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;ensureCapacity(size + numNew);  // Increments modCountint 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;}// 移除fromIndex到toIndex之间的全部元素protected void removeRange(int fromIndex, int toIndex) {modCount++;int numMoved = size - toIndex;System.arraycopy(elementData, toIndex, elementData, fromIndex,numMoved);// Let gc do its workint newSize = size - (toIndex-fromIndex);while (size != newSize)elementData[--size] = null;}// 移除index位置的元素private void RangeCheck(int index) {if (index >= size)throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+", Size: "+size);}// java.io.Serializable的写入函数,将ArrayList的“容量，所有的元素值”都写入到输出流中private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)throws java.io.IOException{// Write out element count, and any hidden stuffint expectedModCount = modCount;s.defaultWriteObject();// Write out array lengths.writeInt(elementData.length);// Write out all elements in the proper order.for (int i=0; i<size; i++)s.writeObject(elementData[i]);if (modCount != expectedModCount) {throw new ConcurrentModificationException();}}// java.io.Serializable的读取函数：根据写入方式读出,先将ArrayList的“容量”读出，然后将“所有的元素值”读出private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {// Read in size, and any hidden stuffs.defaultReadObject();// Read in array length and allocate arrayint arrayLength = s.readInt();Object[] a = elementData = new Object[arrayLength];// Read in all elements in the proper order.for (int i=0; i<size; i++)a[i] = s.readObject();}
}

ArrayList详细分析

1.构造函数

ArrayList有三个构造函数，如下(英文注释全部删掉，默认代码折叠，太占地方了)：

    private transient Object[] elementData;private int size;public ArrayList(int initialCapacity) {super();if (initialCapacity < 0)throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+initialCapacity);this.elementData = new Object[initialCapacity];}public ArrayList() {this(10);}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);}

　　从第一句话可以看到，ArrayList本质上是一个Object类型的数组，前面加入了transient关键字，在序列化的时候忽略，但是在最后自己重写了writeObject和readObject这两个函数，第一个是构造传入固定大小的ArrayList，第二个是默认大小为10，第三个是将传入的Collection转成ArrayList。

　　序列化有2种方式：

　　A、只是实现了Serializable接口。

　　　　序列化时，调用java.io.ObjectOutputStream的defaultWriteObject方法，将对象序列化。

　　　　注意：此时transient修饰的字段，不会被序列化。

　　B、实现了Serializable接口，同时提供了writeObject方法。

　　　　序列化时，会调用该类的writeObject方法。而不是java.io.ObjectOutputStream的defaultWriteObject方法。

　　　　注意：此时transient修饰的字段，是否会被序列化，取决于writeObject

2.自动扩容函数

    public void ensureCapacity(int minCapacity) {modCount++;int oldCapacity = elementData.length;if (minCapacity > oldCapacity) {Object oldData[] = elementData;int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1;if (newCapacity < minCapacity)newCapacity = minCapacity;// minCapacity is usually close to size, so this is a win:elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);}}

　　关键在这里int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1;新的数组大小是旧的数组大小的二分之三加一，然后调用Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);得到新的elementData对象。说到这里我默默的翻看了一下jdk1.7的源码，发现在jdk1.7当中，扩容效率有了本质上的提高，请看下面的代码：（出自jdk1.7）

    public void ensureCapacity(int minCapacity) {if (minCapacity > 0)ensureCapacityInternal(minCapacity);}private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {modCount++;// overflow-conscious codeif (minCapacity - elementData.length > 0)grow(minCapacity);}private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;private void grow(int minCapacity) {// overflow-conscious codeint 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);}

　　1.7相比较1.6，自动扩容增加了两个方法，增加了数组扩容时的判断，最重要的是这句话：int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);没有再用*3再/2这种低端的玩法，直接采用了移位运算，我不是太懂十进制数的移位运算，经过几次自己的测试发现如果是偶数，这个移位运算正好是一半，如果是奇数，则是向下取整。

3.存储

　　第一判断ensureSize，如果够直接插入，否则按照policy扩展，复制，重建数组。

　　第二步插入元素。

　　ArrayList提供了set(int index, E element)、add(E e)、add(int index, E element)、addAll(Collection<? extends E> c)、addAll(int index, Collection<? extends E> c)这些添加元素的方法。

　　3.1. set(int index, E element),取代，而非插入，返回被取代的元素

    public E set(int index, E element) {RangeCheck(index);E oldValue = (E) elementData[index];elementData[index] = element;return oldValue;}

　　3.2.add(E e) 增加元素到末尾，如果size不溢出，自动增长

    public boolean add(E e) {ensureCapacity(size + 1);  // Increments modCount!!elementData[size++] = e;return true;}

　　3.3.add(int index, E element) 增加元素到某个位置，该索引之后的元素都后移一位

    public void add(int index, E element) {if (index > size || index < 0)throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+", Size: "+size);ensureCapacity(size+1);  // Increments modCount!!System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,size - index);elementData[index] = element;size++;}

　　3.4.后面两个方法都是把集合转换为数组利用c.toArray，然后利用Arrays.copyOF 方法

    public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {Object[] a = c.toArray();int numNew = a.length;ensureCapacity(size + numNew);  // Increments modCountSystem.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);size += numNew;return numNew != 0;}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;ensureCapacity(size + numNew);  // Increments modCountint 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;}

4.删除

一种是按索引删除，不用查询，索引之后的element顺序左移一位，并将最后一个element设为null，由gc负责回收。

    public E remove(int index) {RangeCheck(index);modCount++;E oldValue = (E) elementData[index];int numMoved = size - index - 1;if (numMoved > 0)System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,numMoved);elementData[--size] = null; // Let gc do its workreturn oldValue;}

5.Arrays.copyOf

　　源码如下：

    public static <T,U> T[] copyOf(U[] original, int newLength, Class<? extends T[]> newType) {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;}

　　这里有所优化，如果是Object类型的，直接new Object数组，如果不是则通过Array.newInstance(newType.getComponentType(), newLength)方法产生相应的数组类型。通过System.arraycopy实现数组复制，System是个final类，arraycopy是个native方法。

　　该方法被标记了native，调用了系统的C/C++代码，在JDK中是看不到的，但在openJDK中可以看到其源码。该函数实际上最终调用了C语言的memmove()函数，因此它可以保证同一个数组内元素的正确复制和移动，比一般的复制方法的实现效率要高很多，很适合用来批量处理数组。Java强烈推荐在复制大量数组元素时用该方法，以取得更高的效率。

6.Arrays.newInstance()的意义

　　Java反射技术除了可以在运行时动态地决定要创建什么类型的对象，访问哪些成员变量，方法，还可以动态地创建各种不同类型，不同维度的数组。

　　动态创建数组的步骤如下：
　　　　1.创建Class对象，通过forName(String)方法指定数组元素的类型
　　　　2.调用Array.newInstance(Class, length_of_array)动态创建数组

　　访问动态数组元素的方法和通常有所不同，它的格式如下所示，注意该方法返回的是一个Object对象
　　Array.get(arrayObject, index)

　　为动态数组元素赋值的方法也和通常的不同，它的格式如下所示，注意最后的一个参数必须是Object类型
　　Array.set(arrayObject, index, object)

　　动态数组Array不单可以创建一维数组，还可以创建多维数组。步骤如下：
　　　　1.定义一个整形数组：例如int[] dims= new int{5, 10, 15};指定一个三维数组
　　　　2.调用Array.newInstance(Class, dims);创建指定维数的数组

　　访问多维动态数组的方法和访问一维数组的方式没有什么大的不同，只不过要分多次来获取，每次取出的都是一个Object，直至最后一次，赋值也一样。

　　动态数组Array可以转化为普通的数组，例如:
　　Array arry = Array.newInstance(Integer.TYPE,5);
　　int arrayCast[] = (int[])array;

7.为何要序列化

　　ArrayList 实现了java.io.Serializable接口，在需要序列化的情况下，复写writeObjcet和readObject方法提供适合自己的序列化方法。

　　1、序列化是干什么的？

　　　　简单说就是为了保存在内存中的各种对象的状态（也就是实例变量，不是方法），并且可以把保存的对象状态再读出来。虽然你可以用你自己的各种各样的方法来保存object states，但是Java给你提供一种应该比你自己好的保存对象状态的机制，那就是序列化。

　　2、什么情况下需要序列化

　　　　a）当你想把的内存中的对象状态保存到一个文件中或者数据库中时候；

　　　　b）当你想用套接字在网络上传送对象的时候；

　　　　c）当你想通过RMI传输对象的时候；

8.总结

　　8.1.Arraylist基于数组实现，是自增长的

　　8.2.非线程安全的

　　8.3.插入时可能要扩容，删除时size不会减少，如果需要，可以使用trimToSize方法，在查询时，遍历查询，为null，判断是否是null，返回；如果不是null，用equals判断，返回

    /*** Returns <tt>true</tt> if this list contains the specified element.* More formally, returns <tt>true</tt> if and only if this list contains* at least one element <tt>e</tt> such that* <tt>(o==null ? e==null : o.equals(e))</tt>.** @param o element whose presence in this list is to be tested* @return <tt>true</tt> if this list contains the specified element*/public boolean contains(Object o) {return indexOf(o) >= 0;}/*** Returns the index of the first occurrence of the specified element* in this list, or -1 if this list does not contain the element.* More formally, returns the lowest index <tt>i</tt> such that* <tt>(o==null ? get(i)==null : o.equals(get(i)))</tt>,* or -1 if there is no such index.*/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;}

　　8.4. 允许重复和 null 元素

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参考资料：

【Java集合源码剖析】ArrayList源码剖析

集合类学习之Arraylist 源码分析

转载于:https://www.cnblogs.com/babycomeon/p/5630482.html