Java集合源码剖析——ArrayList源码剖析

Posted 2020-11-08 布衣小工

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）：

  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 }  

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：

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：

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：

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。

 

参考链接：https://blog.csdn.net/ns_code/article/details/35568011