Java容器：ArrayList的神秘面纱

Posted 2023-02-15 姓chen的大键哥

ArrayList简介

ArrayList 的底层是数组队列，相当于动态数组。与 Java 中的数组相比，它的容量能动态增长。在添加大量元素前，应用程序可以使用ensureCapacity操作来增加 ArrayList 实例的容量。
因为 ArrayList 是基于数组实现的，所以支持快速随机访问。RandomAccess 接口标识着该类支持快速随机访问。
ArrayList 实现了Cloneable 接口，即覆盖了函数 clone()，能被克隆。
ArrayList 实现java.io.Serializable 接口，这意味着ArrayList支持序列化，能通过序列化去传输。
在多线程环境下，ArrayList不是线程安全的，如果在多线程环境下使用ArrayList，则使用Vector 或者 CopyOnWriteArrayList。

源码分析

概览

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
    private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;

    /**
     * 默认初始容量大小
     */
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

    /**
     * 空数组（用于空实例）。
     */
    private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = ;

    //用于默认大小空实例的共享空数组实例。
    //我们把它从EMPTY_ELEMENTDATA数组中区分出来，以知道在添加第一个元素时容量需要增加多少。
    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = ;

    /**
     * 保存ArrayList数据的数组，使用 transient 修饰，该关键字声明数组默认不会被序列化。
     */
    transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access

    /**
     * ArrayList 所包含的元素个数
     */
    private int size;

添加元素

添加元素时使用 ensureCapacityInternal() 方法来保证容量足够，如果不够时，需要使用 grow() 方法进行扩容，新容量的大小为 oldCapacity + (oldCapacity >> 1)，也就是旧容量的 1.5 倍。
源码如下

	public boolean add(E e) 
		ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
		//这里看到ArrayList添加元素的实质就相当于为数组赋值
		elementData[size++] = e;
		return true;
	
	//得到最小扩容量
    private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) 
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) 
              // 获取默认的容量和传入参数的较大值
            minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        

        ensureExplicitCapacity(minCapacity);
    
    //判断是否需要扩容
    private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) 
        modCount++;

        // overflow-conscious code
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            //调用grow方法进行扩容，调用此方法代表已经开始扩容了
            grow(minCapacity);
    
    /**
     * ArrayList扩容的核心方法。
     */
    private void grow(int minCapacity) 
        // oldCapacity为旧容量，newCapacity为新容量
        int oldCapacity = elementData.length;
        //将oldCapacity 右移一位，其效果相当于oldCapacity /2，
        //我们知道位运算的速度远远快于整除运算，整句运算式的结果就是将新容量更新为旧容量的1.5倍，
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        //然后检查新容量是否大于最小需要容量，若还是小于最小需要容量，那么就把最小需要容量当作数组的新容量，
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            newCapacity = minCapacity;
        //再检查新容量是否超出了ArrayList所定义的最大容量，
        //若超出了，则调用hugeCapacity()来比较minCapacity和 MAX_ARRAY_SIZE，
        //如果minCapacity大于MAX_ARRAY_SIZE，则新容量则为Interger.MAX_VALUE，否则，新容量大小则为 MAX_ARRAY_SIZE。
        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);
    

扩容操作需要调用 Arrays.copyOf() 把原数组整个复制到新数组中，这个操作代价很高，尽量避免过早出现扩容，应该初始化时就指定ArrayList的大概容量。

获取元素

ArrayList会先判断索引值是否合法，然后再执行查询，源码如下：

public E get(int index) 
        rangeCheck(index);
        return elementData(index);

//判断索引是否越界
private void rangeCheck(int index) 
        if (index >= size)
            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));

/*
 * 返回下标对应的元素
 */
@SuppressWarnings("unchecked")
E elementData(int index) 
		return (E) elementData[index];

删除元素

需要调用 System.arraycopy() 将 index+1 后面的元素都复制到 index 位置上，该操作的时间复杂度为 O(N)，ArrayList 删除元素的代价是非常高的。

	/**
     * 删除该列表中指定位置的元素。 将任何后续元素移动到左侧（从其索引中减去一个元素）。 
     */
    public E remove(int index) 
        rangeCheck(index);

        modCount++;
        E oldValue = elementData(index);

        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
        //从列表中删除的元素 
        return oldValue;
    

设置元素值

跟查找元素一样，ArrayList会先检查索引是否合法，然后去索引所在位置更改元素值,源码如下：

	/**
     * 用指定的元素替换此列表中指定位置的元素。 
     */
    public E set(int index, E element) 
        //对index进行界限检查
        rangeCheck(index);

        E oldValue = elementData(index);
        elementData[index] = element;
        //返回原来在这个位置的元素
        return oldValue;
    

Fail-Fast

modCount 用来记录 ArrayList 结构发生变化的次数。结构发生变化是指添加或者删除至少一个元素的所有操作，或者是调整内部数组的大小，仅仅只是设置元素的值不算结构发生变化。
在进行序列化或者迭代等操作时，需要比较操作前后 modCount 是否改变，如果改变了需要抛出 ConcurrentModificationException。

	/**
     *以正确的顺序返回该列表中的元素的迭代器。 
     *返回的迭代器是fail-fast 。 
     */
	public Iterator<E> iterator() 
        return new Itr();
    

    /**
     * An optimized version of AbstractList.Itr
     */
    private class Itr implements Iterator<E> 
        int cursor;       // index of next element to return
        int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such
        int expectedModCount = modCount;

        Itr() 

        public boolean hasNext() 
            return cursor != size;
        

        @SuppressWarnings("unchecked")
        public E next() 
            checkForComodification();
            int i = cursor;
            if (i >= size)
                throw new NoSuchElementException();
            Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
            if (i >= elementData.length)
                throw new ConcurrentModificationException();
            cursor = i + 1;
            return (E) elementData[lastRet = i];
        

        public void remove() 
            if (lastRet < 0)
                throw new IllegalStateException();
            checkForComodification();

            try 
                ArrayList.this.remove(lastRet);
                cursor = lastRet;
                lastRet = -1;
                expectedModCount = modCount;
             catch (IndexOutOfBoundsException ex) 
                throw new ConcurrentModificationException();
            
        

        @Override
        @SuppressWarnings("unchecked")
        public void forEachRemaining(Consumer<? super E> consumer) 
            Objects.requireNonNull(consumer);
            final int size = ArrayList.this.size;
            int i = cursor;
            if (i >= size) 
                return;
            
            final Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
            if (i >= elementData.length) 
                throw new ConcurrentModificationException();
            
            while (i != size && modCount == expectedModCount) 
                consumer.accept((E) elementData[i++]);
            
            // update once at end of iteration to reduce heap write traffic
            cursor = i;
            lastRet = i - 1;
            checkForComodification();
        

        final void checkForComodification() 
            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
        
    

序列化

ArrayList 基于数组实现，并且具有动态扩容特性，因此保存元素的数组不一定都会被使用，那么就没必要全部进行序列化，只需序列化其中的元素即可。
ArrayList 实现了 writeObject() 和 readObject() 来控制只序列化数组中有元素填充那部分内容。

	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();
        
    

    /**
     * Reconstitute the <tt>ArrayList</tt> instance from a stream (that is,
     * deserialize it).
     */
    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
            int capacity = calculateCapacity(elementData, size);
            SharedSecrets.getJavaOISAccess().checkArray(s, Object[].class, 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();