jdk1.8.0_45源码解读——ArrayList的实现
一、ArrayList概述
ArrayList是List接口的可变数组的实现。实现了所有可选列表操作，并允许包括 null 在内的所有元素。除了实现 List 接口外，此类还提供一些方法来操作内部用来存储列表的数组的大小。
每个ArrayList实例都有一个容量，该容量是指用来存储列表元素的数组的大小。它总是至少等于列表的大小。随着向ArrayList中不断添加元素，其容量也自动增长。自动增长会带来数据向新数组的重新拷贝，因此，如果可预知数据量的多少，可在构造ArrayList时指定其容量。在添加大量元素前，应用程序也可以使用ensureCapacity操作来增加ArrayList实例的容量，这可以减少递增式再分配的数量。
注意，此实现不是同步的。如果多个线程同时访问一个ArrayList实例，而其中至少一个线程从结构上修改了列表，那么它必须保持外部同步。这通常是通过同步那些用来封装列表的对象来实现的。但如果没有这样的对象存在，则该列表需要运用{@link Collections#synchronizedSet Collections.synchronizedSet}来进行“包装”，该方法最好是在创建列表对象时完成，为了避免对列表进行突发的非同步操作。
List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList(...));
建议在单线程中才使用ArrayList，而在多线程中可以选择Vector或者CopyOnWriteArrayList。
二、ArrayList源码解析
1. ArrayList类结构
//通过ArrayList实现的接口可知，其支持随机访问，能被克隆，支持序列化
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
//序列版本号
private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;
//默认初始容量
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
//被用于空实例的共享空数组实例
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
//被用于默认大小的空实例的共享数组实例。其与EMPTY_ELEMENTDATA的区别是：当我们向数组中添加第一个元素时，知道数组该扩充多少。
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/**
* Object[]类型的数组，保存了添加到ArrayList中的元素。ArrayList的容量是该Object[]类型数组的长度
* 当第一个元素被添加时，任何空ArrayList中的elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA将会被
* 扩充到DEFAULT_CAPACITY（默认容量）。
*/
transient Object[] elementData; //非private是为了方便嵌套类的访问
// ArrayList的大小（指其所含的元素个数）
private int size;
......
}
ArrayList包含了两个重要的对象：elementData 和 size。
(01) elementData 是"Object[] 类型的数组"，它保存了添加到ArrayList中的元素。实际上，elementData是个动态数组，我们能通过构造函数 ArrayList(int initialCapacity)来执行它的初始容量为initialCapacity；如果通过不含参数的构造函数ArrayList()来创建 ArrayList，则elementData的容量默认是10。elementData数组的大小会根据ArrayList容量的增长而动态的增长，具 体的增长方式，请参考源码分析中的ensureCapacity()函数。
(02) size 则是动态数组的实际大小。
2. 构造函数
ArrayList提供了三种方式的构造器，可以构造一个默认初始容量为10的空列表、构造一个指定初始容量的空列表以及构造一个包含指定collection的元素的列表，这些元素按照该collection的迭代器返回的顺序排列的。
/**
* 构造一个指定初始容量的空列表
* @param initialCapacity ArrayList的初始容量
* @throws IllegalArgumentException 如果给定的初始容量为负值
*/
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);
}
}
// 构造一个默认初始容量为10的空列表
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
/**
* 构造一个包含指定collection的元素的列表，这些元素按照该collection的迭代器返回的顺序排列的
* @param c 包含用于去构造ArrayList的元素的collection
* @throws NullPointerException 如果指定的collection为空
*/
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
elementData = c.toArray();
if ((size = elementData.length) != 0) {
// c.toArray()可能不会正确地返回一个 Object[]数组，那么使用Arrays.copyOf()方法
if (elementData.getClass() != Object[].class)
//Arrays.copyOf()返回一个 Object[].class类型的，大小为size，元素为elementData[0,...,size-1]
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
} else {
// replace with empty array.
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}
}
此处重点说明一下，ArrayList是如何构造一个默认初始容量为10的空列表的？
// 构造一个默认初始容量为10的空列表
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA; //DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {}
}
//而在在JDK1.6中，其构造函数为
public ArrayList() {
this(10); //public ArrayList(int initialCapacity)中this.elementData = new Object[initialCapacity];
}
ArrayList构造一个默认初始容量为10的空列表：
1) 初始情况：elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {}； size = 0;
2) 当向数组中添加第一个元素时，通过add(E e)方法中调用的ensureCapacityInternal(size + 1)方法，即ensureCapacityInternal(1)；
3) 在ensureCapacityInternal(int minCapacity)方法中，可得的minCapacity=DEFAULT_CAPACITY=10，然后再调用ensureExplicitCapacity(minCapacity)方法，即ensureExplicitCapacity(10)；
4) 在ensureExplicitCapacity(minCapacity)方法中调用grow(minCapacity)方法，即grow(10)，此处为真正具体的数组扩容的算法，在此方法中，通过elementData = Arrays.copyOf(elementData, 10)具体实现了elementData数组初始容量为10的构造。
3. 调整数组的容量
从add()与addAll()方法中可以看出，每当向数组中添加元素时，都要去检查添加元素后的个数是否会超出当前数组的长度，如果超出，数组将会进行扩容，以满足添加数据的需求。数组扩容实质上是通过私有的方法ensureCapacityInternal(int minCapacity) -> ensureExplicitCapacity(int minCapacity) -> grow(int minCapacity)来实现的，但在jdk1.8中，向用户提供了一个public的方法ensureCapacity(int minCapacity)使用户可以手动的设置ArrayList实例的容量，以减少递增式再分配的数量。此处与jdk1.6中直接通过一个公开的方法ensureCapacity(int minCapacity)来实现数组容量的调整有区别。
/**
* public方法，让用户能手动设置ArrayList的容量
* @param minCapacity 期望的最小容量
*/
public void ensureCapacity(int minCapacity) {
int minExpand = (elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)
// any size if not default element table
? 0
// larger than default for default empty table. It‘s already
// supposed to be at default size.
: DEFAULT_CAPACITY;
if (minCapacity > minExpand) {
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
}
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
//当elementData为空时，ArrayList的初始容量最小为DEFAULT_CAPACITY（10）
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);
}
//数组可被分配的最大容量；当需要的数组尺寸超过VM的限制时，可能导致OutOfMemoryError
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
/**
* 增加数组的容量，确保它至少能容纳指定的最小容量的元素量
* @param minCapacity 期望的最小容量
*/
private void grow(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length;
//注意此处扩充capacity的方式是将其向右一位再加上原来的数，实际上是扩充了1.5倍
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity); //设置数组可被分配的最大容量
// minCapacity is usually close to size, so this is a win:
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
if (minCapacity < 0) // overflow
throw new OutOfMemoryError();
return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
Integer.MAX_VALUE :
MAX_ARRAY_SIZE;
}
附：jdk1.6中ensureCapacity(int minCapacity)方法：
// 确定ArrarList的容量。
// 若ArrayList的容量不足以容纳当前的全部元素，设置 新的容量=“(原始容量x3)/2 + 1”
public void ensureCapacity(int minCapacity) {
modCount++; // 将“修改统计数”+1
int oldCapacity = elementData.length;
if (minCapacity > oldCapacity) {
Object oldData[] = elementData;
int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1;
if (newCapacity < minCapacity)
newCapacity = minCapacity;
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
}
为什么ArrayList自动容量扩充选择扩充1.5倍？
这种算法构造出来的新的数组长度的增量都会比上一次大( 而且是越来越大) ，即认为客户需要增加的数据很多，而避免频繁newInstance 的情况。
4.添加元素
ArrayList提供了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。
//将指定的元素(E e)添加到此列表的尾部
public boolean add(E e) {
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
elementData[size++] = e;
return true;
}
//将指定的元素(E e)插入到列表的指定位置(index)
public void add(int index, E element) {
rangeCheckForAdd(index); //判断参数index是否IndexOutOfBoundsException
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!! 如果数组长度不足，将进行扩容
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
size - index); //将源数组中从index位置开始后的size-index个元素统一后移一位
elementData[index] = element;
size++;
}
/**
* 按照指定collection的迭代器所返回的元素顺序，将该collection中的所有元素添加到此列表的尾部
* @throws NullPointerException if the specified collection is null
*/
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
Object[] a = c.toArray();
int numNew = a.length;
ensureCapacityInternal(size + numNew); // Increments modCount
//将数组a[0,...,numNew-1]复制到数组elementData[size,...,size+numNew-1]
System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
size += numNew;
return numNew != 0;
}
/**
* 从指定的位置开始，将指定collection中的所有元素插入到此列表中，新元素的顺序为指定collection的迭代器所返回的元素顺序
* @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
* @throws NullPointerException if the specified collection is null
*/
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
rangeCheckForAdd(index); //判断参数index是否IndexOutOfBoundsException
Object[] a = c.toArray();
int numNew = a.length;
ensureCapacityInternal(size + numNew); // Increments modCount
int numMoved = size - index;
if (numMoved > 0)
//先将数组elementData[index,...,index+numMoved-1]复制到elementData[index+numMoved,...,index+2*numMoved-1]
//即，将源数组中从index位置开始的后numMoved个元素统一后移numNew位
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew,
numMoved);
//再将数组a[0,...,numNew-1]复制到数组elementData[index,...,index+numNew-1]
System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);
size += numNew;
return numNew != 0;
}
5.删除元素
ArrayList提供了remove(int index)、remove(Object o)、clear()、removeRange(int fromIndex, int toIndex)、removeAll(Collection<?> c)、retainAll(Collection<?> c)这些删除元素的方法。
/**
* 移除此列表中指定位置上的元素
* @param index 需被移除的元素的索引
* @return the element 被移除的元素值
* @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
*/
public E remove(int index) {
rangeCheck(index); //判断index是否 <= size
modCount++;
E oldValue = elementData(index);
//将数组elementData中index位置之后的所有元素向前移一位
int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
numMoved);
elementData[--size] = null; //将原数组最后一个位置置为null，由GC清理
return oldValue;
}
//移除ArrayList中首次出现的指定元素(如果存在)，ArrayList中允许存放重复的元素
public boolean remove(Object o) {
// 由于ArrayList中允许存放null，因此下面通过两种情况来分别处理。
if (o == null) {
for (int index = 0; index < size; index++)
if (elementData[index] == null) {
fastRemove(index); //私有的移除方法，跳过index参数的边界检查以及不返回任何值
return true;
}
} else {
for (int index = 0; index < size; index++)
if (o.equals(elementData[index])) {
fastRemove(index);
return true;
}
}
return false;
}
//私有的删除指定位置元素的方法，跳过index参数的边界检查以及不返回任何值
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
}
//清空ArrayList，将全部的元素设为null
public void clear() {
modCount++;
// clear to let GC do its work
for (int i = 0; i < size; i++)
elementData[i] = null;
size = 0;
}
//删除ArrayList中从fromIndex（包含）到toIndex（不包含）之间所有的元素，共移除了toIndex-fromIndex个元素
protected void removeRange(int fromIndex, int toIndex) {
modCount++;
int numMoved = size - toIndex; //需向前移动的元素的个数
System.arraycopy(elementData, toIndex, elementData, fromIndex,
numMoved);
// clear to let GC do its work
int newSize = size - (toIndex-fromIndex);
for (int i = newSize; i < size; i++) {
elementData[i] = null;
}
size = newSize;
}
//删除ArrayList中包含在指定容器c中的所有元素
public boolean removeAll(Collection<?> c) {
Objects.requireNonNull(c); //检查指定的对象c是否为空
return batchRemove(c, false);
}
//移除ArrayList中不包含在指定容器c中的所有元素，与removeAll(Collection<?> c)正好相反
public boolean retainAll(Collection<?> c) {
Objects.requireNonNull(c);
return batchRemove(c, true);
}
private boolean batchRemove(Collection<?> c, boolean complement) {
final Object[] elementData = this.elementData;
int r = 0, w = 0; //读写双指针
boolean modified = false;
try {
for (; r < size; r++)
if (c.contains(elementData[r]) == complement) //判断指定容器c中是否含有elementData[r]元素
elementData[w++] = elementData[r];
} finally {
// Preserve behavioral compatibility with AbstractCollection,
// even if c.contains() throws.
if (r != size) {
System.arraycopy(elementData, r,
elementData, w,
size - r);
w += size - r;
}
if (w != size) {
// clear to let GC do its work
for (int i = w; i < size; i++)
elementData[i] = null;
modCount += size - w;
size = w;
modified = true;
}
}
return modified;
}
6.修改元素
ArrayList提供了set(int index, E element)方法来修改指定索引上的值。
//将指定索引上的值替换为新值，并返回旧值
public E set(int index, E element) {
rangeCheck(index);
E oldValue = elementData(index);
elementData[index] = element;
return oldValue;
}
7.查找元素
ArrayList提供了get(int index)、contains(Object o)、indexOf(Object o)、lastIndexOf(Object o)、get(int index)这些查找元素的方法。
//判断ArrayList中是否包含Object(o)
public boolean contains(Object o) {
return indexOf(o) >= 0;
}
//正向查找，返回ArrayList中元素Object o第一次出现的位置，如果元素不存在，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;
}
//逆向查找，返回ArrayList中元素Object o最后一次出现的位置，如果元素不存在，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;
}
@SuppressWarnings("unchecked")
E elementData(int index) {
return (E) elementData[index];
}
//返回指定索引处的值
public E get(int index) {
rangeCheck(index);
return elementData(index); //实质上return (E) elementData[index]
}
8.其他public方法
trimToSize()、size()、isEmpty()、clone()、toArray()、toArray(T[] a)
//将底层数组的容量调整为当前列表保存的实际元素的大小的功能
public void trimToSize() {
modCount++;
if (size < elementData.length) {
elementData = (size == 0)
? EMPTY_ELEMENTDATA
: Arrays.copyOf(elementData, size);
}
}
//返回ArrayList的大小（元素个数）
public int size() {
return size;
}
//判断ArrayList是否为空
public boolean isEmpty() {
return size == 0;
}
//返回此 ArrayList实例的浅拷贝
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);
}
}
//返回一个包含ArrayList中所有元素的数组
public Object[] toArray() {
return Arrays.copyOf(elementData, size);
}
//如果给定的参数数组长度足够，则将ArrayList中所有元素按序存放于参数数组中，并返回
//如果给定的参数数组长度小于ArrayList的长度，则返回一个新分配的、长度等于ArrayList长度的、包含ArrayList中所有元素的新数组
@SuppressWarnings("unchecked")
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;
}
支持序列化的写入函数writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)和读取函数readObject(java.io.ObjectInputStream s)
//序列化：将ArrayList的“大小，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 stuff
int expectedModCount = modCount;
s.defaultWriteObject();
// Write out size as capacity for behavioural compatibility with clone()
s.writeInt(size);
// 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();
}
}
//反序列化：先将ArrayList的“大小”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 {
elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
// Read in size, and any hidden stuff
s.defaultReadObject();
// Read in capacity
s.readInt(); // ignored
if (size > 0) {
// be like clone(), allocate array based upon size not capacity
ensureCapacityInternal(size);
Object[] a = elementData;
// Read in all elements in the proper order.
for (int i=0; i<size; i++) {
a[i] = s.readObject();
}
}
}
关于java的序列化与反序列化可以参考：Java对象的序列化和反序列化
9.ArrayList的四种遍历方式
1）通过迭代器Iterator遍历：
Iterator iter = list.iterator();
while (iter.hasNext())
{
System.out.println(iter.next());
}
2）通过迭代器ListIterator遍历：
ListIterator<String> lIter = list.listIterator();
//顺向遍历
while(lIter.hasNext()){
System.out.println(lIter.next());
}
//逆向遍历
while(lIter.hasPrevious()){
System.out.println(lIter.previous());
}
Iterator与ListIterator主要的区别：
①Iterator可以应用于所有的集合，Set、List和Map和这些集合的子类型。而ListIterator只能用于List及其子类型；
②Iterator只能实现顺序向后遍历，ListIterator可实现顺序向后遍历和逆向（顺序向前）遍历；
③Iterator只能实现remove操作，ListIterator可以实现remove操作，add操作，set操作。
3）随机访问，通过索引值去遍历，由于ArrayList实现了RandomAccess接口
int size = list.size();
for (int i=0; i<size; i++)
{
System.out.println(list.get(i));
}
4）foreach循环遍历
for(String str:list)
{
System.out.println(str);
}
foreach与迭代器：在Java SE5引入了新的被称为Iterable接口，该接口包含一个能够产生Iterator的Iterator()方法，并且Iterable接口被foreach用来在序列中移动。因此如果你创建了任何实现Iterable的类，都可以将它用于foreach语句中。
10. Fail-Fast机制
ArrayList也采用了快速失败的机制，通过记录modCount参数来实现。在面对并发的修改时，迭代器很快就会完全失败，而不是冒着在将来某个不确定时间发生任意不确定行为的风险。
【感谢】
深入Java集合学习系列：ArrayList的实现原理
Java集合系列之ArrayList源码分析
Java 集合系列03之 ArrayList详细介绍(源码解析)和使用示例