深入Java集合：ArrayList实现原理

Posted 2022-12-10 吴士龙

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。

实现

对于 ArrayList而言，它实现 List接口、底层使用数组保存所有元素。其操作基本上是 对数组的操作。下面我们来分析 ArrayList的源代码：

1)  底层使用数组实现

private transient Object[] elementData;

2)  构造方法：

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 的迭代器返回它们的顺序排列的。

 public ArrayList() 
     this(10);
 

 public ArrayList(intinitialCapacity) 
      super();
      if (initialCapacity < 0)
 throw new IllegalArgumentException("IllegalCapacity:"+ initialCapaci ty);
      this.elementData = new Object[initialCapacity];
 

public ArrayList(Collection<? extendsE> c) 
     elementData = c.toArray();
    size = elementData.length;
     // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
     if (elementData.getClass() != Object[].class)
           elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
 

3)  存储：

ArrayList 提供了 set(int index, E element)、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。下面我们一一讲解：

  // 用指定的元素替代此列表中指定位置上的元素，并返回以前位于该位置上的元素。

 public Eset(intindex, E element)
       RangeCheck(index);
       E oldValue = (E) elementData[index];
      elementData[index] = element;
       returnoldValue;
 

 // 将指定的元素添加到此列表的尾部。
 publicbooleanadd(E e) 
      ensureCapacity(size + 1);
       elementData[size++] = e;
      return true;
 

// 将指定的元素插入此列表中的指定位置。
  // 如果当前位置有元素，则向右移动当前位于该位置的元素以及所有后续元素（将其索引加 1）。
 publicvoidadd(intindex, Eelement) 
       if (index > size ||index < 0)
 throw new IndexOutOfBoundsException("Index:"+index+",Size:"+siz e);
     // 如果数组长度不足，将进行扩容。
       ensureCapacity(size+1);  // IncrementsmodCount!!
       // 将 elementData中从 Index位置开始、长度为size-index的元素，
     // 拷贝到从下标为index+1位置开始的新的elementData数组中。
    // 即将当前位于该位置的元素以及所有后续元素右移一个位置。
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - inde x);
     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。

 public boolean addAll(Collection<? extendsE> c) 
       Object[]a= c.toArray();
       int numNew = a.length;
      ensureCapacity(size + numNew); //IncrementsmodCount
       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。
 public boolean addAll(intindex, Collection<? extendsE> c) 
       if (index > size ||index < 0)
            throw new IndexOutOfBoundsException(
                 "Index: " +index + ", Size: "+ size);

       Object[]a= c.toArray();
       int numNew = a.length;
       ensureCapacity(size + numNew); //IncrementsmodCount

 int numMoved = size - index;
     if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew, numM oved);

    System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);
     size += numNew;
      return numNew != 0;
 

4) 读取：

// 返回此列表中指定位置上的元素。

public E get(intindex) 
       RangeCheck(index);
    return(E) elementData[index];
 

5)  删除：

ArrayList 提供了根据下标或者指定对象两种方式的删除功能。如下：

// 移除此列表中指定位置上的元素。
 public E remove(intindex) 
       RangeCheck(index);

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

  int numMoved = size - index - 1;
       if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMove d);
    elementData[--size] = null; // Let gc do its work

   return oldValue;

 // 移除此列表中首次出现的指定元素（如果存在）。这是应为 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) 
                // 类似 remove(intindex)，移除列表中指定位置上的元素。
                       fast Remove(index);
                     return true;
           
else
    for(int index = 0; index < size; index++)
           if(o.equals(elementData[index])) 
               fastRemove(index);
                return true;
        
    
    return false;
 

注意：从数组中移除元素的操作，也会导致被移除的元素以后的所有元素的向左移动一个位置。

6)  调整数组容量

从上面介绍的向 ArrayList 中存储元素的代码中，我们看到，每当向数组中添加元素时， 都要去检查添加后元素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。数组扩容通过一个公开的方法 ensureCapacity(int minCapacity)来 实现。在实际添加大量元素前，我也可以使用 ensureCapacity 来手动增加 ArrayList 实例的容量，以减少递增式再分配的数量。

public void ensureCapacity(intminCapacity) 
      modCount++;
      int oldCapacity = elementData.length;
      if (minCapacity > oldCapacity) 
           Object oldData[] = elementData;
           int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2+ 1;
                 if (newCapacity < minCapacity)
                       newCapacity = minCapacity;
         // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    
 

从上述代码中可以看出，数组进行扩容时，会将老数组中的元素重新拷贝一份到新的数组中，每次数组容量的增长大约是其原容量的 1.5 倍。这种操作的代价是很高的，因此在实际使用时，我们应该尽量避免数组容量的扩张。当我们可预知要保存的元素的多少时，要在构造 ArrayList实例时，就指定其容量，以避免数组扩容的发生。或者根据实际需求，通过 调用 ensureCapacity方法来手动增加 ArrayList实例的容量。

ArrayList 还给我们提供了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。它可以通过 trimToSize方法来实现。代码如下：

 public void trimToSize() 
       modCount++;
       int oldCapacity = elementData.length;
       if (size < oldCapacity) 
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);
    
 

7) 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。具体介绍请参考深入Java集合：HashMap实现原理中的Fail-Fast 机制。

业务思想

ArrayList的学习总结略相似于HashMap但又有些不同的是，两者的数据结构。相继续HashMap之后，我们的知识越来越混杂，也越来越结合起来，串成一串，勾勒思维导图，对于我们的梳理是很有帮助的。