转：Java集合源码剖析ArrayList源码剖析

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ArrayList简介

    ArrayList是基于数组实现的，是一个动态数组，其容量能自动增长，类似于C语言中的动态申请内存，动态增长内存。

    ArrayList不是线程安全的，只能用在单线程环境下，多线程环境下可以考虑用Collections.synchronizedList(List l)函数返回一个线程安全的ArrayList类，也可以使用concurrent并发包下的CopyOnWriteArrayList类。

    ArrayList实现了Serializable接口，因此它支持序列化，能够通过序列化传输，实现了RandomAccess接口，支持快速随机访问，实际上就是通过下标序号进行快速访问，实现了Cloneable接口，能被克隆。

 

ArrayList源码剖析

    ArrayList的源码如下（加入了比较详细的注释）：

[java] view plain copy
  1. package java.util;    
  2.    
  3. public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>    
  4.         implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable    
  5. {    
  6.     // 序列版本号    
  7.     private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;    
  8.    
  9.     // ArrayList基于该数组实现，用该数组保存数据   
  10.     private transient Object[] elementData;    
  11.    
  12.     // ArrayList中实际数据的数量    
  13.     private int size;    
  14.    
  15.     // ArrayList带容量大小的构造函数。    
  16.     public ArrayList(int initialCapacity) {    
  17.         super();    
  18.         if (initialCapacity < 0)    
  19.             throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+    
  20.                                                initialCapacity);    
  21.         // 新建一个数组    
  22.         this.elementData = new Object[initialCapacity];    
  23.     }    
  24.    
  25.     // ArrayList无参构造函数。默认容量是10。    
  26.     public ArrayList() {    
  27.         this(10);    
  28.     }    
  29.    
  30.     // 创建一个包含collection的ArrayList    
  31.     public ArrayList(Collection<? extends E> c) {    
  32.         elementData = c.toArray();    
  33.         size = elementData.length;    
  34.         if (elementData.getClass() != Object[].class)    
  35.             elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);    
  36.     }    
  37.    
  38.    
  39.     // 将当前容量值设为实际元素个数    
  40.     public void trimToSize() {    
  41.         modCount++;    
  42.         int oldCapacity = elementData.length;    
  43.         if (size < oldCapacity) {    
  44.             elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);    
  45.         }    
  46.     }    
  47.    
  48.    
  49.     // 确定ArrarList的容量。    
  50.     // 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”    
  51.     public void ensureCapacity(int minCapacity) {    
  52.         // 将“修改统计数”+1，该变量主要是用来实现fail-fast机制的    
  53.         modCount++;    
  54.         int oldCapacity = elementData.length;    
  55.         // 若当前容量不足以容纳当前的元素个数，设置 新的容量=“(原始容量x3)/2 + 1”    
  56.         if (minCapacity > oldCapacity) {    
  57.             Object oldData[] = elementData;    
  58.             int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1;    
  59.             //如果还不够，则直接将minCapacity设置为当前容量  
  60.             if (newCapacity < minCapacity)    
  61.                 newCapacity = minCapacity;    
  62.             elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);    
  63.         }    
  64.     }    
  65.    
  66.     // 添加元素e    
  67.     public boolean add(E e) {    
  68.         // 确定ArrayList的容量大小    
  69.         ensureCapacity(size + 1);  // Increments modCount!!    
  70.         // 添加e到ArrayList中    
  71.         elementData[size++] = e;    
  72.         return true;    
  73.     }    
  74.    
  75.     // 返回ArrayList的实际大小    
  76.     public int size() {    
  77.         return size;    
  78.     }    
  79.    
  80.     // ArrayList是否包含Object(o)    
  81.     public boolean contains(Object o) {    
  82.         return indexOf(o) >= 0;    
  83.     }    
  84.    
  85.     //返回ArrayList是否为空    
  86.     public boolean isEmpty() {    
  87.         return size == 0;    
  88.     }    
  89.    
  90.     // 正向查找，返回元素的索引值    
  91.     public int indexOf(Object o) {    
  92.         if (o == null) {    
  93.             for (int i = 0; i < size; i++)    
  94.             if (elementData[i]==null)    
  95.                 return i;    
  96.             } else {    
  97.                 for (int i = 0; i < size; i++)    
  98.                 if (o.equals(elementData[i]))    
  99.                     return i;    
  100.             }    
  101.             return -1;    
  102.         }    
  103.    
  104.         // 反向查找，返回元素的索引值    
  105.         public int lastIndexOf(Object o) {    
  106.         if (o == null) {    
  107.             for (int i = size-1; i >= 0; i--)    
  108.             if (elementData[i]==null)    
  109.                 return i;    
  110.         } else {    
  111.             for (int i = size-1; i >= 0; i--)    
  112.             if (o.equals(elementData[i]))    
  113.                 return i;    
  114.         }    
  115.         return -1;    
  116.     }    
  117.    
  118.     // 反向查找(从数组末尾向开始查找)，返回元素(o)的索引值    
  119.     public int lastIndexOf(Object o) {    
  120.         if (o == null) {    
  121.             for (int i = size-1; i >= 0; i--)    
  122.             if (elementData[i]==null)    
  123.                 return i;    
  124.         } else {    
  125.             for (int i = size-1; i >= 0; i--)    
  126.             if (o.equals(elementData[i]))    
  127.                 return i;    
  128.         }    
  129.         return -1;    
  130.     }    
  131.      
  132.    
  133.     // 返回ArrayList的Object数组    
  134.     public Object[] toArray() {    
  135.         return Arrays.copyOf(elementData, size);    
  136.     }    
  137.    
  138.     // 返回ArrayList元素组成的数组  
  139.     public <T> T[] toArray(T[] a) {    
  140.         // 若数组a的大小 < ArrayList的元素个数；    
  141.         // 则新建一个T[]数组，数组大小是“ArrayList的元素个数”，并将“ArrayList”全部拷贝到新数组中    
  142.         if (a.length < size)    
  143.             return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass());    
  144.    
  145.         // 若数组a的大小 >= ArrayList的元素个数；    
  146.         // 则将ArrayList的全部元素都拷贝到数组a中。    
  147.         System.arraycopy(elementData, 0, a, 0, size);    
  148.         if (a.length > size)    
  149.             a[size] = null;    
  150.         return a;    
  151.     }    
  152.    
  153.     // 获取index位置的元素值    
  154.     public E get(int index) {    
  155.         RangeCheck(index);    
  156.    
  157.         return (E) elementData[index];    
  158.     }    
  159.    
  160.     // 设置index位置的值为element    
  161.     public E set(int index, E element) {    
  162.         RangeCheck(index);    
  163.    
  164.         E oldValue = (E) elementData[index];    
  165.         elementData[index] = element;    
  166.         return oldValue;    
  167.     }    
  168.    
  169.     // 将e添加到ArrayList中    
  170.     public boolean add(E e) {    
  171.         ensureCapacity(size + 1);  // Increments modCount!!    
  172.         elementData[size++] = e;    
  173.         return true;    
  174.     }    
  175.    
  176.     // 将e添加到ArrayList的指定位置    
  177.     public void add(int index, E element) {    
  178.         if (index > size || index < 0)    
  179.             throw new IndexOutOfBoundsException(    
  180.             "Index: "+index+", Size: "+size);    
  181.    
  182.         ensureCapacity(size+1);  // Increments modCount!!    
  183.         System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,    
  184.              size - index);    
  185.         elementData[index] = element;    
  186.         size++;    
  187.     }    
  188.    
  189.     // 删除ArrayList指定位置的元素    
  190.     public E remove(int index) {    
  191.         RangeCheck(index);    
  192.    
  193.         modCount++;    
  194.         E oldValue = (E) elementData[index];    
  195.    
  196.         int numMoved = size - index - 1;    
  197.         if (numMoved > 0)    
  198.             System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,    
  199.                  numMoved);    
  200.         elementData[--size] = null; // Let gc do its work    
  201.    
  202.         return oldValue;    
  203.     }    
  204.    
  205.     // 删除ArrayList的指定元素    
  206.     public boolean remove(Object o) {    
  207.         if (o == null) {    
  208.                 for (int index = 0; index < size; index++)    
  209.             if (elementData[index] == null) {    
  210.                 fastRemove(index);    
  211.                 return true;    
  212.             }    
  213.         } else {    
  214.             for (int index = 0; index < size; index++)    
  215.             if (o.equals(elementData[index])) {    
  216.                 fastRemove(index);    
  217.                 return true;    
  218.             }    
  219.         }    
  220.         return false;    
  221.     }    
  222.    
  223.    
  224.     // 快速删除第index个元素    
  225.     private void fastRemove(int index) {    
  226.         modCount++;    
  227.         int numMoved = size - index - 1;    
  228.         // 从"index+1"开始，用后面的元素替换前面的元素。    
  229.         if (numMoved > 0)    
  230.             System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,    
  231.                              numMoved);    
  232.         // 将最后一个元素设为null    
  233.         elementData[--size] = null; // Let gc do its work    
  234.     }    
  235.    
  236.     // 删除元素    
  237.     public boolean remove(Object o) {    
  238.         if (o == null) {    
  239.             for (int index = 0; index < size; index++)    
  240.             if (elementData[index] == null) {    
  241.                 fastRemove(index);    
  242.             return true;    
  243.             }    
  244.         } else {    
  245.             // 便利ArrayList，找到“元素o”，则删除，并返回true。    
  246.             for (int index = 0; index < size; index++)    
  247.             if (o.equals(elementData[index])) {    
  248.                 fastRemove(index);    
  249.             return true;    
  250.             }    
  251.         }    
  252.         return false;    
  253.     }    
  254.    
  255.     // 清空ArrayList，将全部的元素设为null    
  256.     public void clear() {    
  257.         modCount++;    
  258.    
  259.         for (int i = 0; i < size; i++)    
  260.             elementData[i] = null;    
  261.    
  262.         size = 0;    
  263.     }    
  264.    
  265.     // 将集合c追加到ArrayList中    
  266.     public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {    
  267.         Object[] a = c.toArray();    
  268.         int numNew = a.length;    
  269.         ensureCapacity(size + numNew);  // Increments modCount    
  270.         System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);    
  271.         size += numNew;    
  272.         return numNew != 0;    
  273.     }    
  274.    
  275.     // 从index位置开始，将集合c添加到ArrayList    
  276.     public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {    
  277.         if (index > size || index < 0)    
  278.             throw new IndexOutOfBoundsException(    
  279.             "Index: " + index + ", Size: " + size);    
  280.    
  281.         Object[] a = c.toArray();    
  282.         int numNew = a.length;    
  283.         ensureCapacity(size + numNew);  // Increments modCount    
  284.    
  285.         int numMoved = size - index;    
  286.         if (numMoved > 0)    
  287.             System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew,    
  288.                  numMoved);    
  289.    
  290.         System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);    
  291.         size += numNew;    
  292.         return numNew != 0;    
  293.     }    
  294.    
  295.     // 删除fromIndex到toIndex之间的全部元素。    
  296.     protected void removeRange(int fromIndex, int toIndex) {    
  297.     modCount++;    
  298.     int numMoved = size - toIndex;    
  299.         System.arraycopy(elementData, toIndex, elementData, fromIndex,    
  300.                          numMoved);    
  301.    
  302.     // Let gc do its work    
  303.     int newSize = size - (toIndex-fromIndex);    
  304.     while (size != newSize)    
  305.         elementData[--size] = null;    
  306.     }    
  307.    
  308.     private void RangeCheck(int index) {    
  309.     if (index >= size)    
  310.         throw new IndexOutOfBoundsException(    
  311.         "Index: "+index+", Size: "+size);    
  312.     }    
  313.    
  314.    
  315.     // 克隆函数    
  316.     public Object clone() {    
  317.         try {    
  318.             ArrayList<E> v = (ArrayList<E>) super.clone();    
  319.             // 将当前ArrayList的全部元素拷贝到v中    
  320.             v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);    
  321.             v.modCount = 0;    
  322.             return v;    
  323.         } catch (CloneNotSupportedException e) {    
  324.             // this shouldn‘t happen, since we are Cloneable    
  325.             throw new InternalError();    
  326.         }    
  327.     }    
  328.    
  329.    
  330.     // java.io.Serializable的写入函数    
  331.     // 将ArrayList的“容量，所有的元素值”都写入到输出流中    
  332.     private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)    
  333.         throws java.io.IOException{    
  334.     // Write out element count, and any hidden stuff    
  335.     int expectedModCount = modCount;    
  336.     s.defaultWriteObject();    
  337.    
  338.         // 写入“数组的容量”    
  339.         s.writeInt(elementData.length);    
  340.    
  341.     // 写入“数组的每一个元素”    
  342.     for (int i=0; i<size; i++)    
  343.             s.writeObject(elementData[i]);    
  344.    
  345.     if (modCount != expectedModCount) {    
  346.             throw new ConcurrentModificationException();    
  347.         }    
  348.    
  349.     }    
  350.    
  351.    
  352.     // java.io.Serializable的读取函数：根据写入方式读出    
  353.     // 先将ArrayList的“容量”读出，然后将“所有的元素值”读出    
  354.     private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)    
  355.         throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {    
  356.         // Read in size, and any hidden stuff    
  357.         s.defaultReadObject();    
  358.    
  359.         // 从输入流中读取ArrayList的“容量”    
  360.         int arrayLength = s.readInt();    
  361.         Object[] a = elementData = new Object[arrayLength];    
  362.    
  363.         // 从输入流中将“所有的元素值”读出    
  364.         for (int i=0; i<size; i++)    
  365.             a[i] = s.readObject();    
  366.     }    
  367. }  

几点总结

 

    关于ArrayList的源码，给出几点比较重要的总结：

    1、注意其三个不同的构造方法。无参构造方法构造的ArrayList的容量默认为10，带有Collection参数的构造方法，将Collection转化为数组赋给ArrayList的实现数组elementData。

    2、注意扩充容量的方法ensureCapacity。ArrayList在每次增加元素（可能是1个，也可能是一组）时，都要调用该方法来确保足够的容量。当容量不足以容纳当前的元素个数时，就设置新的容量为旧的容量的1.5倍加1，如果设置后的新容量还不够，则直接新容量设置为传入的参数（也就是所需的容量），而后用Arrays.copyof()方法将元素拷贝到新的数组（详见下面的第3点）。从中可以看出，当容量不够时，每次增加元素，都要将原来的元素拷贝到一个新的数组中，非常之耗时，也因此建议在事先能确定元素数量的情况下，才使用ArrayList，否则建议使用LinkedList。

    3、ArrayList的实现中大量地调用了Arrays.copyof()和System.arraycopy()方法。我们有必要对这两个方法的实现做下深入的了解。

    首先来看Arrays.copyof()方法。它有很多个重载的方法，但实现思路都是一样的，我们来看泛型版本的源码：

 

 

[java] view plain copy
  1. public static <T> T[] copyOf(T[] original, int newLength) {  
  2.     return (T[]) copyOf(original, newLength, original.getClass());  
  3. }  

    很明显调用了另一个copyof方法，该方法有三个参数，最后一个参数指明要转换的数据的类型，其源码如下：

 

[java] view plain copy
  1. public static <T,U> T[] copyOf(U[] original, int newLength, Class<? extends T[]> newType) {  
  2.     T[] copy = ((Object)newType == (Object)Object[].class)  
  3.         ? (T[]) new Object[newLength]  
  4.         : (T[]) Array.newInstance(newType.getComponentType(), newLength);  
  5.     System.arraycopy(original, 0, copy, 0,  
  6.                      Math.min(original.length, newLength));  
  7.     return copy;  
  8. }  

 

    这里可以很明显地看出，该方法实际上是在其内部又创建了一个长度为newlength的数组，调用System.arraycopy()方法，将原来数组中的元素复制到了新的数组中。

    下面来看System.arraycopy()方法。该方法被标记了native，调用了系统的C/C++代码，在JDK中是看不到的，但在openJDK中可以看到其源码。该函数实际上最终调用了C语言的memmove()函数，因此它可以保证同一个数组内元素的正确复制和移动，比一般的复制方法的实现效率要高很多，很适合用来批量处理数组。Java强烈推荐在复制大量数组元素时用该方法，以取得更高的效率。

    4、注意ArrayList的两个转化为静态数组的toArray方法。

    第一个，Object[] toArray()方法。该方法有可能会抛出java.lang.ClassCastException异常，如果直接用向下转型的方法，将整个ArrayList集合转变为指定类型的Array数组，便会抛出该异常，而如果转化为Array数组时不向下转型，而是将每个元素向下转型，则不会抛出该异常，显然对数组中的元素一个个进行向下转型，效率不高，且不太方便。

    第二个，<T> T[] toArray(T[] a)方法。该方法可以直接将ArrayList转换得到的Array进行整体向下转型（转型其实是在该方法的源码中实现的），且从该方法的源码中可以看出，参数a的大小不足时，内部会调用Arrays.copyOf方法，该方法内部创建一个新的数组返回，因此对该方法的常用形式如下：

 

 

[java] view plain copy
  1. public static Integer[] vectorToArray2(ArrayList<Integer> v) {    
  2.     Integer[] newText = (Integer[])v.toArray(new Integer[0]);    
  3.     return newText;    
  4. }    

     5、ArrayList基于数组实现，可以通过下标索引直接查找到指定位置的元素，因此查找效率高，但每次插入或删除元素，就要大量地移动元素，插入删除元素的效率低。

    6、在查找给定元素索引值等的方法中，源码都将该元素的值分为null和不为null两种情况处理，ArrayList中允许元素为null。
  

   

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