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1. 概述
ArrayList本质上是一个数组, 它内部通过对数组的操作实现了 List 功能, 所以 ArrayList 又被叫做动态数组. 每个 ArrayList 实例都有容量, 会自动扩容. 它可添加 null, 有序可重复, 线程不安全.Vector 和ArrayList内部实现基本是一致的, 除了 Vector 添加了 synchronized 保证其线程安全.
1.1 继承体系
2. 源码解析
2.1 属性
/**
* 默认初始容量
*/
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
/**
* 初始容量为 0 时,elementData 指向此对象(空元素对象)
*/
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/**
* 调用 ArrayList()构造方法时,elementData 指向此对象(默认容量空元素对象)
*/
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/**
* 用于存储集合元素, 非 private 类型能够简化内部类的访问(在编译阶段)
*/
transient Object[] elementData;
/**
* 包含的元素个数
*/
private int size;为什么 DEFAULT_CAPACITY 这种变量为什么要声明为 private static final 类型
private是为了把变量的作用范围控制在类中.
static修饰的变量是静态变量.JVM只会为静态变量分配一次内存. 这样无论对象被创建多少次, 此变量始终指向的都是同一内存地址. 达到节省内存, 提升性能的目的.
final修饰的变量在被初始化后, 不可再被指向别的内存地址, 以防变量的地址被篡改.
2.2 构造方法
无参构造方法
public ArrayList() {
// 无参构造器方法, 将 elementData 指向 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}指定容量构造方法
public ArrayList(int initialCapacity) {if (initialCapacity > 0) {
//initialCapacity 大于 0 时, 将 elementData 指向新建的 initialCapacity 大小的数组.
this.elementData = new Object[initialCapacity];
} else if (initialCapacity == 0) {
//initialCapacity 为空时, 将 elementData 指向 EMPTY_ELEMENTDATA
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
} else {
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity:" +
initialCapacity);
}
}指定集合构造方法
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
// 将 elementData 指向 c 转换后的数组
elementData = c.toArray();
if ((size = elementData.length) != 0) {//c.toArray 可能不会返回 Object[], 所以需要手动检查下. 关于这点, 会单独讲解下, 看 3.3
if (elementData.getClass() != Object[].class)
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
} else {
// 如果 elementData.length 为 0, 将 elementData 指向 EMPTY_ELEMENTDATA.
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}
}ArrayList的无参构造方法使用频率是非常高的, 在第一次添加元素时, 会将 capacity 初始化为 10. 在我们知道 ArrayList 中需要存储多少元素时, 使用指定容量构造方法, 可避免扩容带来的运行开销, 提高程序运行效率. 当我们需要复用 Collection 对象时, 使用指定集合构造方法.
2.3 插入
2.3.1 添加元素到列表尾部
add(E e)源码
// 将指定的元素添加到列表的末尾
public boolean add(E e) {
// 确保内部容量, 如果容量不够则计算出所需的容量值.
ensureCapacityInternal(size + 1);
// 将元素插入到数组尾部,size 加一.
elementData[size++] = e;
return true;
}add(E e)方法的平均时间复杂度是O(1). 它的流程大体上分为两步:
- 保证内部容量可用;
- 将元素添加到数组尾部;
第一步就是自动扩容机制, 具体分析参看2.3.3.
第二步则是在确保有可用容量的基础上, 在尾部添加元素, 如下图:
2.3.2 将元素插入到指定位置
add(int index, E element)源码
// 在列表的指定位置上添加指定元素, 在添加之前将在此位置上的元素及其后面的元素向右移一位.
public void add(int index, E element) {
// 检查索引是否越界
rangeCheckForAdd(index);
// 确保内部容量, 如果容量不够则计算出所需的容量值.
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
// 将 index 及 index 之后的元素向右移一位.
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
size - index);
// 将新元素插入到 index 处.
elementData[index] = element;
// 元素个数加一.
size++;
}
// 检查索引是否越界
private void rangeCheckForAdd(int index) {if (index > size || index < 0)
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}add(int index, E element)的平均时间复杂度是O(N). 所以在大容量的集合中不要频繁使用此方法, 否则可能会产生效率问题. 在指定位置添加元素的流程如下图所示:
2.3.3 自动扩容
ensureCapacityInternal(int minCapacity)源码
// 是否需要扩容
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}
// 计算容量
private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
// 如果 elementData 指向 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA, 返回 DEFAULT_CAPACITY 和 minCapacity 中的较大值.
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
// 否则直接返回 minCapacity
return minCapacity;
}
// 确保明确的容量
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
// 修改次数加一
modCount++;
// 如果 minCapacity 大于 elementData 数组长度, 那么进行扩容.
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}
// 要分配的最大数组大小
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
/**
* 增加容量确保数组至少能够容纳最小容量参数指定的元素个数.
*
* @param minCapacity 所需的最小容量
*/
private void grow(int minCapacity) {
// 声明 oldCapacity 为 elementData 长度
int oldCapacity = elementData.length;
// 将 newCapacity 声明为 oldCapacity 的 1.5 倍
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
// 如果 newCapacity 小于 minCapacity, 将 newCapacity 指向 minCapacity
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
// 如果 newCapacity 超出了最大数组长度, 调用 hugeCapacity()方法计算 newCapacity.
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
// 根据 newCapacity 生成一个新的数组, 并将 elementData 老数据放入 elementData 中.
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
/**
*
* @param minCapacity 最小容量
* @return 计算后的容量
*/
private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
// 如果 minCapacity 小于 0, 抛出内存溢出异常.
if (minCapacity < 0) // overflow
throw new OutOfMemoryError();
// 比较得出所需容量
return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
Integer.MAX_VALUE :
MAX_ARRAY_SIZE;
}自动扩容的流程参看上面代码, 总结几个要点:
- 如果使用的是
new ArrayList()构造方法, 在添加第一个元素时, 容量会被设置为DEFAULT_CAPACITY(10) 大小. - 容量会被扩容为之前的 1.5 倍
- 如果扩容后的容量大于
MAX_ARRAY_SIZE, 那么将Integer.MAX_VALUE作为容量.
2.4 删除
remove(int index)
// 移除指定索引位置元素
public E remove(int index) {
//index 越界检查
rangeCheck(index);
modCount++;
// 获取将要删除的元素
E oldValue = elementData(index);
// 获取将要移动的元素个数
int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0)
// 将 index 之后的元素向左移一位
System.arraycopy(elementData, index + 1, elementData, index,
numMoved);
//size 减一, 并将 elementData 数组最后一个元素指向 null, 让 GC 进行操作
elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
return oldValue;
}
@SuppressWarnings("unchecked")
E elementData(int index) {return (E) elementData[index];
}
remove(Object o)
// 删除指定元素
public boolean remove(Object o) {
// 如果对象为 null, 删除数组中的第一个为 null 的元素. 没有 null 元素的话则不会变化
if (o == null) {for (int index = 0; index < size; index++)
if (elementData[index] == null) {fastRemove(index);
return true;
}
} else {
// 删除数组中的第一个为 o 的元素, 没有则不操作.
for (int index = 0; index < size; index++)
if (o.equals(elementData[index])) {fastRemove(index);
return true;
}
}
return false;
}
// 省略了越界检查, 而且不会返回被删除的值, 反映了 JDK 将性能优化到极致.
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
}删除操作的平均时间复杂度是O(N), 其主要步骤是:
- 将索引后面的元素向左移一位;
- 数组的最后一个元素赋值为
null; -
size减一;
具体步骤如下图所示:
2.5 遍历
ArrayList实现了 RandomAccess 接口.RandomAccess是标识接口, 标识实现类能够快速随机访问存储元素. 因为 ArrayList 的底层是数组, 通过下标 index 访问. 所以在 ArrayList 元素量较大时, 应当使用普通 for 循环, 也就是通过下标进行访问. 而 LinkedList 此层是链表, 不具备快速随机访问的能力, 因此没有实现 RandomAccess 接口, 推荐使用 forEach 遍历 (也就是Iterator 遍历).
测试代码:
@Test
public void test6() {
// 实现了 RandomAccess 接口，底层是数组的 ArrayList 测试
List<Long> arrayList = new ArrayList<>(150000000);
Random random = new Random();
// 为了更好的展示测试结果, 避免程序运行时间过长,arrayList 和 linkedList 添加元素的个数不同.
for (int i = 0; i < 100000000; i++) {arrayList.add(random.nextLong());
}
System.out.println("======ArrayList======");
traverseByLoop(arrayList);
traverseByIterator(arrayList);
System.out.println("======LinkedList======");
// 没有实现 RandomAccess 接口, 底层是链表的 LinkedList 测试
LinkedList<Long> linkedList = new LinkedList<>();
for (int i = 0; i < 100000; i++) {linkedList.add(random.nextLong());
}
traverseByLoop(linkedList);
traverseByIterator(linkedList);
}
// 普通 for 循环进行遍历
public void traverseByLoop(List<Long> list) {long startTime = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < list.size(); i++) {list.get(i);
}
long endTime = System.currentTimeMillis();
System.out.println("RandomAccess 遍历用时:" + (endTime - startTime) + "ms");
}
//Iterator 遍历
public void traverseByIterator(List<Long> list) {long startTime = System.currentTimeMillis();
Iterator<Long> iterator = list.iterator();
while (iterator.hasNext()) {iterator.next();
}
long endTime = System.currentTimeMillis();
System.out.println("Iterator 遍历用时:" + (endTime - startTime) + "ms");
}运行 test6() 方法, 控制台输出:
======ArrayList======
RandomAccess 遍历用时:4ms
Iterator 遍历用时:10ms
======LinkedList======
RandomAccess 遍历用时:5572ms
Iterator 遍历用时:3ms3. 其它细节
3.1fail-fast机制
在 Iterator 被创建后, 如果 List 对象不是调用 iterator 的remove()或 add(Object obj) 方法更改内部结构.iterator就会抛出 ConcurrentModificationException. 以此避免在迭代过程中List 对象不可知的变化. 这个机制只能用来侦测异常的操作, 并不能作为并发操作的保障. 在 JDK1.5 新增的 forEach 循环, 其本质就是用迭代器遍历. 下面用 forEach 语法来对 fail-fast 机制进行测试.
@Test
public void test1() {List<Integer> list = new ArrayList<>(Arrays.asList(1, 2, 3));
for (Integer num : list) {if (1 == num) {list.remove(num);
}
}
System.out.println(list);
}由于在遍历过程中调用了 List 的remove()方法, 导致程序检测到非法修改, 抛出异常.
3.2fail-fast失效
在 forEach 中删除 List 的倒数第二个元素,fail-fast不会生效.
@Test
public void test2() {List<Integer> list = new ArrayList<>(Arrays.asList(1, 2));
for (Integer num : list) {if (1 == num) {list.remove(num);
}
}
System.out.println(list);
}forEach是 java 的语法糖, 为了搞清楚为啥出现上面的问题, 我们将上面的代码转换为 Iterator 遍历.
@Test
public void test3() {List<Integer> list = new ArrayList<>(Arrays.asList(1, 2));
Iterator<Integer> iterator = list.iterator();
while (iterator.hasNext()) {Integer next = iterator.next();
if (1 == next) {list.remove(next);
}
}
System.out.println(list);
}首先看看 list.iterator() 的源码, 看看这个 Iterator 是啥?
public Iterator<E> iterator() {return new Itr();
}Itr类是 ArrayList 的内部类, 咱来看看源码.
private class Itr implements Iterator<E> {
// 下一个要返回元素的索引, 默认为 0.
int cursor;
// 之前返回元素的索引, 默认为 -1.
int lastRet = -1;
// 保存创建时 modCount 的值
int expectedModCount = modCount;
Itr() {}
public boolean hasNext() {return cursor != size;}
@SuppressWarnings("unchecked")
public E next() {
//fail-fast 检测
checkForComodification();
// 将 i 值声明为 cursor
int i = cursor;
//index 越界检查
if (i >= size)
throw new NoSuchElementException();
Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
// 如果 i 值大于等于当前数组的长度,fail-fast
if (i >= elementData.length)
throw new ConcurrentModificationException();
// 光标加一
cursor = i + 1;
// 对 lastRet 赋值并返回值.
return (E) elementData[lastRet = i];
}
// 每次操作时比较 expectedModCount 和 modCount 的值, 若不一致, 抛出 ConcurrentModificationException
final void checkForComodification() {if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();}
}从 while (iterator.hasNext()) 开始分析, 第一次进入 hasNext() 方法.cursor为 0,size为 2, 返回 true, 进入循环体. 然后进入next() 方法, 正常执行,cursor变为 1 ,lastRet变为 0. 然后开始执行 ArrayList 的remove()方法,modCount变为 1,size变为 1 . 这时候再进入第二次循环, 执行 hasNext() 方法,cursor是 1 ,size也是 1 , 返回 false, 退出循环体. 因此fail-fast 失效. 所以不要在 forEach 循环中使用非 Iterator 的方法进行增删操作,fail-fast也不能完全避免数据被更改的风险, 从源头规避风险是首选.
3.3c.toArray()返回非Object[]
在 ArrayList 的集合构造器源码中有 c.toArray might (incorrectly) not return Object[] 这句注释. 就上网查了下这个问题. 我们先来看下代码:
@Test
public void test5() {
// 获取并输出 Object 数组类型
Object[] objArr = new Object[0];
//class [Ljava.lang.Object;
System.out.println(objArr.getClass());
// 通过 Arrays.asList()方法构建 List 对象. 该对象的 class 不是 Object[]类型.
List<Integer> list1 = Arrays.asList(1, 2, 3);
//class [Ljava.lang.Integer;
System.out.println(list1.toArray().getClass());
// 通过 new ArrayList 构造器创建 List 对象
ArrayList<Integer> list2 = new ArrayList<>(Arrays.asList(4, 5, 6));
//class [Ljava.lang.Object;
System.out.println(list2.toArray().getClass());
}控制台输出:
class [Ljava.lang.Object;
class [Ljava.lang.Integer;
class [Ljava.lang.Object;可以看到通过 Arrays.asList(1, 2, 3) 创建的对象 class 不是 Object[] 类型. 至于具体原因不再分析, 感兴趣的朋友研究下哈.
3.4elementData为啥定义为transient
ArrayList自己根据 size 序列化真实的元素, 而不是根据数组的长度序列化元素, 减少了空间占用.
4. 参考
田小波 -ArrayList 源码分析
彤哥读源码 - 死磕 java 集合之 ArrayList 源码分析
IT 从业者说 -RandomAccess 这个空架子有何用？
