ArrayList源码解析 | 张治峰的博客

特性

实现了三个标记接口: RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable

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

RandomAccess

支持随机访问（基于下标）,为了能够更好地判断集合是ArrayList还是LinkedList，从而能够更好选择更优的遍历方式，提高性能！

Cloneable

支持拷贝：实现Cloneable接口，重写clone方法、方法内容默认调用父类的clone方法。
1.浅拷贝
对基本数据类型进行值传递，对引用数据类型进行引用传递般的拷贝

public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
               Study study = (Study) super.clone();
               return study;
}

2.深拷贝
对基本数据类型进行值传递，对引用数据类型创建一个新的对象，并复制内容，这是深拷贝

public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
    Study s = (Study) super.clone();
    s.setScore(this.score.clone());
    return s;
}

java的传参有基本类型和引用类型传参,参数传递时拷贝的都是栈中的内容。此处大概分为三种情况

1.基本类型,存储在栈中所以拷贝的就是真实的值，修改后不影响原值
2.引用类型:栈中内容为对象引用,拷贝的也为引用修改改变的是引用所指向的对象,由于引用的同一个对象，所以元对象改变了
3.String:虽然String也是引用类型但于String是不可变对象在修改时会讲引用指向一个新的对象，所已他们的引用变得不同了，当然不会改变原值

Serializable

序列化：将对象状态转换为可保持或传输的格式的过程。与序列化相对的是反序列化，它将流转换为对象。这两个过程结合起来，可以轻松地存储和传输数据，在Java中的这个Serializable接口其实是给jvm看的，通知jvm，我不对这个类做序列化了，你(jvm)帮我序列化就好了。如果我们没有自己声明一个serialVersionUID变量,接口会默认生成一个serialVersionUID，默认的serialVersinUID对于class的细节非常敏感，反序列化时可能会导致InvalidClassException这个异常（每次序列化都会重新计算该值）

AbstractList

继承了AbstractList ，说明它是一个列表，拥有相应的增，删，查，改等功能。

List

为什么继承了 AbstractList 还需要实现List 接口？

1、在StackOverFlow 中：传送门得票最高的答案的回答者说他问了当初写这段代码的 Josh Bloch，得知这就是一个写法错误。
I’ve asked Josh Bloch, and he informs me that it was a mistake.He used to think, long ago, that there was some value in it,
but he since “saw the light”.Clearly JDK maintainers haven’t considered this to be worth backing out later.

基本属性

 /**
 * 序列化版本号（类文件签名），如果不写会默认生成
 * 类内容的改变会影响签名变化，导致反序列化失败
 */
private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;
/**
 * 如果实例化时未指定容量，则在初次添加元素时会进行扩容使用此容量作为数组长度
 */
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
/**
 * static修饰，所有的未指定容量的实例(也未添加元素)共享此数组
 * 两个空的数组有什么区别呢？
 * 就是第一次添加元素时知道该 elementData 从空的构造函数还是有参构造函数被初始化的。
 * 以便确认如何扩容。空的构造器则初始化为10，有参构造器则按照扩容因子扩容
 */
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/**
 * arrayList真正存放元素的地方，长度大于等于size
 */
transient Object[] elementData;
/**
 * arrayList中的元素个数
 */
private int size;

构造器

 /**
 * 无参构造器，构造一个容量大小为 10 的空的 list 集，
 * 但构造函数只是给 elementData 赋值了一个空的数组，
 * 是在第一次添加元素时容量扩大至 10 的。
 */
public ArrayList() {
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
    
/**
 * 当使用无参构造函数时是把DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 赋值给 elementData。
 * 当initialCapacity 为零时则是把 EMPTY_ELEMENTDATA 赋值给 elementData。 
 * 当initialCapacity大于零初始化一个大小为initialCapacity的object数组并赋值给elementData。
 * @param initialCapacity 初始大小
 */
public ArrayList(int initialCapacity) {
    if (initialCapacity > 0) {
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
    } else if (initialCapacity == 0) {
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    } else {
        throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+ initialCapacity);
    }
}
    
/**
 * 将 Collection 转化为数组，数组长度赋值给 size。 
 * 如果 size 不为零，则判断 elementData 的 class 类型是否为 ArrayList，不是的话则做一次转换。
 * 如果 size 为零，则把 EMPTY_ELEMENTDATA 赋值给 elementData，相当于new ArrayList(0)。
 * @param c 
 */
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
    Object[] a = c.toArray();
    if ((size = a.length) != 0) {
        if (c.getClass() == ArrayList.class) {
            elementData = a;
        } else {
            elementData = Arrays.copyOf(a, size, Object[].class);
        }
    } else {
        // 指向空数组
        elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
}

添加元素

尾部插入(默认)

/**
 * 每次添加元素到集合中时都会先确认下集合容量大小。然后将 size 自增 1赋值
 * @param e
 * @return
 */
public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);
    elementData[size++] = e;
    return true;
}
    
/**
 * 判断如果 elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
 * 就取 DEFAULT_CAPACITY 和 minCapacity 的最大值也就是 10。
 * 这就是 EMPTY_ELEMENTDATA 与DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 的区别所在。
 * 同时也验证了上面的说法：使用无参构造函数时是在第一次添加元素时初始化容量为 10 的
 * @param minCapacity
 */
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
    
/**
 * 对modCount自增1,记录操作次数,如果minCapacity大于elementData的长度,则对集合进行扩容,
 * 第一次添加元素时 elementData 的长度为零
 * @param minCapacity
 */
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);
}

插入性能与linkedList对比

package jdk8.list;

import java.util.ArrayList;
import java.util.LinkedList;
import java.util.List;

/**
 * arrayList 提前指定容量大小 插入性能对比linkedList
 * @author zhangzhifeng 
 */
public class EffectTest {

    public static void main(String[] args) {
        //不指定下标插入
        int length = 10000000;
        //指定容量时
        List arrayList = new ArrayList(length);

        List linkedList = new LinkedList();
        long start5 = System.currentTimeMillis();
        for(int i=0;i <length;i++){
            arrayList.add(i);
        }
        long end5 = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("arrayList:"+(end5-start5));
        long start6 = System.currentTimeMillis();
        for(int i=0;i <length;i++){
            linkedList.add(i);
        }
        long end6 = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("linkedList:"+(end6-start6));
    }
    //结果
    //arrayList:1876
    //linkedList:8040
}

arrayList涉及扩容，会消耗性能但是如果提前指定容量，会提升性能，可以达到与linkedList相当，甚至超越

指定下标插入

public void add(int index, E element) {
    /**
     * 下标越界检查
     */
    rangeCheckForAdd(index);
    /**
     * 同上尾部插入判断扩容,记录操作数
     */
    ensureCapacityInternal(size + 1);
    /**
     * 依次复制插入位置及后面的数组元素，到后面一格，不是移动，
     * 因此复制完后，添加的下标位置和下一个位置指向对同一个对象
     */
    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
            size - index);
    /**
     * 再将元素赋值给该下标
     */
    elementData[index] = element;
    size++;
}

时间复杂度为O(n)，与移动的元素个数正相关

扩容

private void grow(int minCapacity) {
            /**
             * 获取当前数组长度
             */
            int oldCapacity = elementData.length;
            /**
             * 默认将扩容至原来容量的 1.5 倍
             */
            int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
            /**
             * 如果1.5倍太小的话，则将我们所需的容量大小赋值给newCapacity
             */
            if (newCapacity - minCapacity < 0)
                newCapacity = minCapacity;
            /**
             * 如果1.5倍太大或者我们需要的容量太大，
             * 那就直接拿 newCapacity = (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
             * Integer.MAX_VALUE : MAX_ARRAY_SIZE 来扩容
             */
            if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
                newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
            /**
             * 然后将原数组中的数据复制到大小为 newCapacity 的新数组中，并将新数组赋值给 elementData。
             */
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
        }

        /**
         * 需要的长度溢出 抛OOM异常
         * 大于数组长度最大值直接取Integer.max
         * 否则拿最大长度MAX_ARRAY_SIZE
         *
         * @param minCapacity
         * @return
         */
        private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
            if (minCapacity < 0) // overflow
                throw new OutOfMemoryError();
            return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
                    Integer.MAX_VALUE :
                    MAX_ARRAY_SIZE;
        }

删除元素

public E remove(int index) {
        /**
         * 检查 index 是否合法
         */
        rangeCheck(index);
        /**
         * 操作数+1
         */
        modCount++;
        E oldValue = elementData(index);
        int numMoved = size - index - 1;
        /**
         * 判断要删除的元素是否是最后一个位
         * 如果 index 不是最后一个，就从 index + 1 开始往后所有的元素都向前拷贝一份。
         * 然后将数组的最后一个位置空,如果 index 是最后一个元素那么就直接将数组的最后一个位置空
         */
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
        /**
         * 让指针最后指向空，进行gc
         */
        elementData[--size] = null;
        return oldValue;
    }

    /**
     * 当我们调用 remove(Object o) 时，会把 o 分为是否为空来分别处理。
     * 对数组做遍历，找到第一个与 o 对应的下标 index
     * 调用 fastRemove 方法，删除下标为 index 的元素。
     * @param o
     * @return
     */
    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;
    }

    /**
     * fastRemove(int index) 方法和 remove(int index) 方法基本全部相同。
     * 它不用校验index的合法性和记录删除的元素
     * @param index
     */
    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;
    }

迭代器 iterator

/**
 * 创建迭代器
 * @return
 */
public Iterator<E> iterator() {
     return new Itr();
}
    
/**
 * ArrayList 内部类
 */
private class Itr implements Iterator<E> {
    /**
     * 代表下一个要访问的元素下标
     */
    int cursor;
    /**
     * 代表上一个要访问的元素下标
     */
    int lastRet = -1;
    /**
     * 代表对 ArrayList 修改次数的期望值，初始值为 modCount
     */
    int expectedModCount = modCount;
    
    /**
     * 如果下一个元素的下标等于集合的大小 ，就证明到最后了
     * @return
     */
    public boolean hasNext() {
        return cursor != size;
    }
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public E next() {
        
        //判断expectedModCount和modCount是否相等,ConcurrentModificationException
        checkForComodification();
        int i = cursor;
        //对 cursor 进行判断，看是否超过集合大小和数组长度
        if (i >= size)
            throw new NoSuchElementException();
        Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
        if (i >= elementData.length)
            throw new ConcurrentModificationException();
        // 自增 1。开始时，cursor = 0，lastRet = -1；每调用一次next方法，cursor和lastRet都会自增1。
        cursor = i + 1;
        //将cursor赋值给lastRet，并返回下标为 lastRet 的元素
        return (E) elementData[lastRet = i];
    }
    public void remove() {
        //判断 lastRet 的值是否小于 0
        if (lastRet < 0)
            throw new IllegalStateException();
        //判断expectedModCount和modCount是否相等,ConcurrentModificationException
        checkForComodification();
        try {
            //直接调用 ArrayList 的 remove 方法删除下标为 lastRet 的元素
            ArrayList.this.remove(lastRet);
            //将 lastRet 赋值给 curso
            cursor = lastRet;
            //将 lastRet 重新赋值为 -1，并将 modCount 重新赋值给 expectedModCount。
            lastRet = -1;
            expectedModCount = modCount;
        } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
            throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }
    final void checkForComodification() {
        if (modCount != expectedModCount)
            throw new ConcurrentModificationException();
    }
}

remove 方法的弊端。
1、只能进行remove操作，add、clear 等 Itr 中没有。
2、调用 remove 之前必须先调用 next。因为 remove 开始就对 lastRet 做了校验。而 lastRet 初始化时为 -1。
3、next 之后只可以调用一次 remove。因为 remove 会将 lastRet 重新初始化为 -1

fail-fast

fail-fast机制是java集合中的一种错误机制。当使用迭代器迭代时，如果发现集合有修改，则快速失败做出响应，抛出ConcurrentModificationException异常。这种修改有可能是其它线程的修改，也有可能是当前线程自己的修改导致的，比如迭代的过程中直接调用remove()删除元素等。另外，并不是java中所有的集合都有fail-fast的机制。比如，像最终一致性的ConcurrentHashMap、CopyOnWriterArrayList等都是没有fast-fail的。
fail-fast是怎么实现的：
ArrayList、HashMap中都有一个属性叫modCount，每次对集合的修改这个值都会加1，在遍历前记录这个值到expectedModCount中，遍历中检查两者是否一致，如果出现不一致就说明有修改，则抛出ConcurrentModificationException异常。
底层数组存/取元素效率非常的高(get/set)，时间复杂度是O(1)，而查找（比如：indexOf，contain），插入和删除元素效率不太高，时间复杂度为O(n)。
插入/删除元素会触发底层数组频繁拷贝，效率不高，还会造成内存空间的浪费，解决方案：linkedList
查找元素效率不高，解决方案：HashMap（红黑树）

注意事项

1.创建时指定最好初始长度,减少扩容次数提升效率
2.arrayList.subList(beginIndex,endIndex) 返回其内部类通过指定偏移量操作原对象。（源对象不可变此处有fast-fail检查）
3.属性 modCount 每次添加删除元素 +1 fast-fail 检查
4.List unmodifiableList = Collections.unmodifiableList(list); 不可变list 原对象可变

//构造器  
UnmodifiableList(List<? extends E> list) {
    super(list);
    this.list = list;
}
//get 操作的原对象
public E get(int index) {return list.get(index);}
//变更操作直接抛异常
public E set(int index, E element) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}
public void add(int index, E element) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}
public E remove(int index) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

5.Arrays.asList(T..) 返回的是Arrays内部类。若传入的数组为基本类型,返回的list长度一直为1。

Integer[] array = {1,2,3};
List list = Arrays.asList(array);
//list.size() = 3
int[] array1 = {1,2,3};
List list1 = Arrays.asList(array1);
// list.size() = 1
//基本类型不支持范型，此处会变成int[1][]
// debug 自测

6.List的最大长度为什么为 Integer.max-8

← JAVAIO模型之NIO、BIO、AIO LinkedList源码解析 →

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