ArrayList源码解析

简介

ArrayList是一种以数组实现的List,与数组相比,它具有动态扩展的能力,因此也可称之为动态数组。

继承体系

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  • ArrayList实现了List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable等接口。
  • ArrayList实现了List,提供了基础的添加、删除、遍历等操作。
  • ArrayList实现了RandomAccess,提供了随机访问的能力。
  • ArrayList实现了Cloneable,可以被克隆。
  • ArrayList实现了Serializable,可以被序列化。

源码解析

/**
 * 默认容量
 */
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

/**
 * 空数组,如果传入的容量为0时使用
 */
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

/**
 * 空数组,传传入容量时使用,添加第一个元素的时候会重新初始为默认容量大小
 */
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

/**
 * 存储元素的数组
 */
transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access

/**
 * 集合中元素的个数
 */
private int size;

EMPTY_ELEMENTDATA

  • 空的数组,这种是通过new ArrayList(0)创建时用的是这个空数组。

DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA

  • 也是空数组,这种是通过new ArrayList()创建时用的是这个空数组,与EMPTY_ELEMENTDATA的区别是在添加第一个元素时使用这个空数组的会初始化为DEFAULT_CAPACITY(10)个元素。

构造方法

ArrayList(int initialCapacity)

传入初始容量,如果大于0就初始化elementData为对应大小,如果等于0就使用EMPTY_ELEMENTDATA空数组,如果小于0抛出异常。

public ArrayList(int initialCapacity) {
    if (initialCapacity > 0) {
        // 如果传入的初始容量大于0,就新建一个数组存储元素
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
    } else if (initialCapacity == 0) {
        // 如果传入的初始容量等于0,使用空数组EMPTY_ELEMENTDATA
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    } else {
        // 如果传入的初始容量小于0,抛出异常
        throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: " + initialCapacity);
    }
}

ArrayList()

不传初始容量,初始化为DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA空数组,会在添加第一个元素的时候扩容为默认的大小,即10。

public ArrayList() {
    // 如果没有传入初始容量,则使用空数组DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
    // 使用这个数组是在添加第一个元素的时候会扩容到默认大小10
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

ArrayList(Collection<? extends E> c)

传入集合并初始化elementData,这里会使用拷贝把传入集合的元素拷贝到elementData数组中,如果元素个数为0,则初始化为EMPTY_ELEMENTDATA空数组。

public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
    //
    elementData = c.toArray();
    //如果指定集合元素个数不为0
    if ((size = elementData.length) != 0) {
        // c.toArray 可能返回的不是Object类型的数组所以加上下面的语句用于判断,
        //这里用到了反射里面的getClass()方法
        if (elementData.getClass() != Object[].class)
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
    } else {
        // 用空数组代替
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
}

add(E e)方法

添加元素到末尾,平均时间复杂度为O(1)。

public boolean add(E e) {
    // 检查是否需要扩容
    ensureCapacityInternal(size + 1);
    // 把元素插入到最后一位
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}

private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
    // 如果是空数组DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA,就初始化为默认大小10
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    return minCapacity;
}

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;

    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        // 扩容
        grow(minCapacity);
}

private void grow(int minCapacity) {
    int oldCapacity = elementData.length;
    // 新容量为旧容量的1.5倍
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    // 如果新容量发现比需要的容量还小,则以需要的容量为准
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    // 如果新容量已经超过最大容量了,则使用最大容量
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    // 以新容量拷贝出来一个新数组
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

  • 当我们要 add 进第1个元素到 ArrayList 时,elementData.length 为0 (因为还是一个空的 list),因为执行了 ensureCapacityInternal() 方法 ,所以 minCapacity 此时为10。此时,minCapacity - elementData.length > 0 成立,所以会进入 grow(minCapacity) 方法。
  • 当add第2个元素时,minCapacity 为2,此时e lementData.length(容量)在添加第一个元素后扩容成 10 了。此时,minCapacity - elementData.length > 0 不成立,所以不会进入 (执行)grow(minCapacity) 方法。
  • 添加第3、4···到第10个元素时,依然不会执行grow方法,数组容量都为10。

直到添加第11个元素,minCapacity(为11)比elementData.length(为10)要大。进入grow方法进行扩容。
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1),所以 ArrayList 每次扩容之后容量都会变为原来的 1.5 倍左右(oldCapacity为偶数就是1.5倍,否则是1.5倍左右)! 奇偶不同,比如 :10+10/2 = 15, 33+33/2=49。如果是奇数的话会丢掉小数.

">>"(移位运算符):>>1 右移一位相当于除2,右移n位相当于除以 2 的 n 次方。这里 oldCapacity 明显右移了1位所以相当于oldCapacity /2。对于大数据的2进制运算,位移运算符比那些普通运算符的运算要快很多,因为程序仅仅移动一下而已,不去计算,这样提高了效率,节省了资源  

我们再来通过例子探究一下grow() 方法 :

  • 当add第1个元素时,oldCapacity 为0,经比较后第一个if判断成立,newCapacity = minCapacity(为10)。但是第二个if判断不会成立,即newCapacity 不比 MAX_ARRAY_SIZE大,则不会进入 hugeCapacity 方法。数组容量为10,add方法中 return true,size增为1。
  • 当add第11个元素进入grow方法时,newCapacity为15,比minCapacity(为11)大,第一个if判断不成立。新容量没有大于数组最大size,不会进入hugeCapacity方法。数组容量扩为15,add方法中return true,size增为11。
  • 以此类推······

容易被忽视掉的知识点:

  • java 中的 length 属性是针对数组说的,比如说你声明了一个数组,想知道这个数组的长度则用到了 length 这个属性.
  • java 中的 length() 方法是针对字符串说的,如果想看这个字符串的长度则用到 length() 这个方法.
  • java 中的 size() 方法是针对泛型集合说的,如果想看这个泛型有多少个元素,就调用此方法来查看!

System.arraycopy()和Arrays.copyOf()方法

System.arraycopy()方法

    /**
     * 在此列表中的指定位置插入指定的元素。 
     *先调用 rangeCheckForAdd 对index进行界限检查;然后调用 ensureCapacityInternal 方法保证capacity足够大;
     *再将从index开始之后的所有成员后移一个位置;将element插入index位置;最后size加1。
     */
    public void add(int index, E element) {
        rangeCheckForAdd(index);

        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        //arraycopy()方法实现数组自己复制自己
        //elementData:源数组;index:源数组中的起始位置;elementData:目标数组;index + 1:目标数组中的起始位置; size - index:要复制的数组元素的数量;
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index);
        elementData[index] = element;
        size++;
    }
    public static native void arraycopy(Object src,  int  srcPos,
                                        Object dest, int destPos,
                                        int length);

Arrays.copyOf方法

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

联系:
看两者源代码可以发现 copyOf() 内部实际调用了 System.arraycopy() 方法
区别:
arraycopy() 需要目标数组,将原数组拷贝到你自己定义的数组里或者原数组,而且可以选择拷贝的起点和长度以及放入新数组中的位置 copyOf() 是系统自动在内部新建一个数组,并返回该数组。

add(int index, E element)方法

添加元素到指定位置,平均时间复杂度为O(n)。

public void add(int index, E element) {
    // 检查是否越界
    rangeCheckForAdd(index);
    // 检查是否需要扩容
    ensureCapacityInternal(size + 1);
    // 将inex及其之后的元素往后挪一位,则index位置处就空出来了
    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                     size - index);
    // 将元素插入到index的位置
    elementData[index] = element;
    // 大小增1
    size++;
}

private void rangeCheckForAdd(int index) {
    if (index > size || index < 0)
        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}

(1)检查索引是否越界;
(2)检查是否需要扩容;
(3)把插入索引位置后的元素都往后挪一位;
(4)在插入索引位置放置插入的元素;
(5)大小加1;

addAll(Collection<? extends E> c)方法

求两个集合的并集。

/**
* 将集合c中所有元素添加到当前ArrayList中
*/
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
    // 将集合c转为数组
    Object[] a = c.toArray();
    int numNew = a.length;
    // 检查是否需要扩容
    ensureCapacityInternal(size + numNew);
    // 将c中元素全部拷贝到数组的最后
    System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
    // 大小增加c的大小
    size += numNew;
    // 如果c不为空就返回true,否则返回false
    return numNew != 0;
}

(1)拷贝c中的元素到数组a中;
(2)检查是否需要扩容;
(3)把数组a中的元素拷贝到elementData的尾部;

get(int index)方法

获取指定索引位置的元素,时间复杂度为O(1)。

public E get(int index) {
    // 检查是否越界
    rangeCheck(index);
    // 返回数组index位置的元素
    return elementData(index);
}

private void rangeCheck(int index) {
    if (index >= size)
        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}

E elementData(int index) {
    return (E) elementData[index];
}

(1)检查索引是否越界,这里只检查是否越上界,如果越上界抛出IndexOutOfBoundsException异常,如果越下界抛出的是ArrayIndexOutOfBoundsException异常。
(2)返回索引位置处的元素;

remove(int index)方法

删除指定索引位置的元素,时间复杂度为O(n)。

public E remove(int index) {
    // 检查是否越界
    rangeCheck(index);

    modCount++;
    // 获取index位置的元素
    E oldValue = elementData(index);
    
    // 如果index不是最后一位,则将index之后的元素往前挪一位
    int numMoved = size - index - 1;
    if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
    
    // 将最后一个元素删除,帮助GC
    elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work

    // 返回旧值
    return oldValue;
}

(1)检查索引是否越界;
(2)获取指定索引位置的元素;
(3)如果删除的不是最后一位,则其它元素往前移一位;
(4)将最后一位置为null,方便GC回收;
(5)返回删除的元素。
可以看到,ArrayList删除元素的时候并没有缩容。

remove(Object o)方法

删除指定元素值的元素,时间复杂度为O(n)。

public boolean remove(Object o) {
    if (o == null) {
        // 遍历整个数组,找到元素第一次出现的位置,并将其快速删除
        for (int index = 0; index < size; index++)
            // 如果要删除的元素为null,则以null进行比较,使用==
            if (elementData[index] == null) {
                fastRemove(index);
                return true;
            }
    } else {
        // 遍历整个数组,找到元素第一次出现的位置,并将其快速删除
        for (int index = 0; index < size; index++)
            // 如果要删除的元素不为null,则进行比较,使用equals()方法
            if (o.equals(elementData[index])) {
                fastRemove(index);
                return true;
            }
    }
    return false;
}

private void fastRemove(int index) {
    // 少了一个越界的检查
    modCount++;
    // 如果index不是最后一位,则将index之后的元素往前挪一位
    int numMoved = size - index - 1;
    if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
    // 将最后一个元素删除,帮助GC
    elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
}

(1)找到第一个等于指定元素值的元素;
(2)快速删除;
fastRemove(int index)相对于remove(int index)少了检查索引越界的操作,可见jdk将性能优化到极致。

retainAll(Collection<?> c)方法

求两个集合的交集。

public boolean retainAll(Collection<?> c) {
    // 集合c不能为null
    Objects.requireNonNull(c);
    // 调用批量删除方法,这时complement传入true,表示删除不包含在c中的元素
    return batchRemove(c, true);
}

/**
* 批量删除元素
* complement为true表示删除c中不包含的元素
* complement为false表示删除c中包含的元素
*/
private boolean batchRemove(Collection<?> c, boolean complement) {
    final Object[] elementData = this.elementData;
    // 使用读写两个指针同时遍历数组
    // 读指针每次自增1,写指针放入元素的时候才加1
    // 这样不需要额外的空间,只需要在原有的数组上操作就可以了
    int r = 0, w = 0;
    boolean modified = false;
    try {
        // 遍历整个数组,如果c中包含该元素,则把该元素放到写指针的位置(以complement为准)
        for (; r < size; r++)
            if (c.contains(elementData[r]) == complement)
                elementData[w++] = elementData[r];
    } finally {
        // 正常来说r最后是等于size的,除非c.contains()抛出了异常
        if (r != size) {
            // 如果c.contains()抛出了异常,则把未读的元素都拷贝到写指针之后
            System.arraycopy(elementData, r,
                             elementData, w,
                             size - r);
            w += size - r;
        }
        if (w != size) {
            // 将写指针之后的元素置为空,帮助GC
            for (int i = w; i < size; i++)
                elementData[i] = null;
            modCount += size - w;
            // 新大小等于写指针的位置(因为每写一次写指针就加1,所以新大小正好等于写指针的位置)
            size = w;
            modified = true;
        }
    }
    // 有修改返回true
    return modified;
}

(1)遍历elementData数组;
(2)如果元素在c中,则把这个元素添加到elementData数组的w位置并将w位置往后移一位;
(3)遍历完之后,w之前的元素都是两者共有的,w之后(包含)的元素不是两者共有的;
(4)将w之后(包含)的元素置为null,方便GC回收;

removeAll(Collection<?> c)

求两个集合的单方向差集,只保留当前集合中不在c中的元素,不保留在c中不在当前集体中的元素。

public boolean removeAll(Collection<?> c) {
    // 集合c不能为空
    Objects.requireNonNull(c);
    // 同样调用批量删除方法,这时complement传入false,表示删除包含在c中的元素
    return batchRemove(c, false);
}

总结

(1)ArrayList内部使用数组存储元素,当数组长度不够时进行扩容,每次加一半的空间,ArrayList不会进行缩容;
(2)ArrayList支持随机访问,通过索引访问元素极快,时间复杂度为O(1);
(3)ArrayList添加元素到尾部极快,平均时间复杂度为O(1);
(4)ArrayList添加元素到中间比较慢,因为要搬移元素,平均时间复杂度为O(n);
(5)ArrayList从尾部删除元素极快,时间复杂度为O(1);
(6)ArrayList从中间删除元素比较慢,因为要搬移元素,平均时间复杂度为O(n);
(7)ArrayList支持求并集,调用addAll(Collection<? extends E> c)方法即可;
(8)ArrayList支持求交集,调用retainAll(Collection<? extends E> c)方法即可;
(7)ArrayList支持求单向差集,调用removeAll(Collection<? extends E> c)方法即可;

来源(侵删)
死磕 java集合之ArrayList源码分析
ArrayList源码分析

Q.E.D.

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