ArrayList源码

Posted 2021-02-21 heyouxin

底层：ArrayList是List接口的大小可变数组的实现。
是否允许null：ArrayList允许null元素。
时间复杂度：size、isEmpty、get、set、iterator和listIterator方法都以固定时间运行，时间复杂度为O(1)。add和remove方法需要O(n)时间。与用于LinkedList实现的常数因子相比，此实现的常数因子较低。
容量：ArrayList的容量可以自动增长。
是否同步：ArrayList不是同步的。
迭代器：ArrayList的iterator和listIterator方法返回的迭代器是fail-fast的。

定义

• 先来看看ArrayList的定义：

  public class ArrayList extends AbstractList implements List,RandomAccess,Cloneable,java.io.Serializable

从中我们可以了解到：

• ArrayList：说明ArrayList支持泛型。

• extends AbstractList ：继承了AbstractList。AbstractList提供List接口的骨干实现，以最大限度地减少“随机访问”数据存储（如ArrayList）实现Llist所需的工作。

• implements List：实现了List。实现了所有可选列表操作。

• implements RandomAccess：表明ArrayList支持快速（通常是固定时间）随机访问。此接口的主要目的是允许一般的算法更改其行为，从而在将其应用到随机或连续访问列表时能提供良好的性能。

• implements Cloneable：表明其可以调用clone()方法来返回实例的field-for-field拷贝。

• implements java.io.Serializable：表明该类具有序列化功能。

/**
 * 初始化默认容量。
 */
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

/**
 * 指定该ArrayList容量为0时，返回该空数组。
 */
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

/**
 * 当调用无参构造方法，返回的是该数组。刚创建一个ArrayList 时，其内数据量为0。
 * 它与EMPTY_ELEMENTDATA的区别就是：该数组是默认返回的，而后者是在用户指定容量为0时返回。
 */
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

/**
 * 保存添加到ArrayList中的元素。
 * ArrayList的容量就是该数组的长度。
 * 该值为DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 时，当第一次添加元素进入ArrayList中时，数组将扩容值DEFAULT_CAPACITY。
 * 被标记为transient，在对象被序列化的时候不会被序列化。
 */
transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access

/**
 * ArrayList的实际大小（数组包含的元素个数）。
 * @serial
 */
private int size;

扩容-ensureCapacity等方法

/**
* 增加ArrayList容量。
* 
* @param   minCapacity   想要的最小容量
*/
public void ensureCapacity(int minCapacity) {
    // 如果elementData等于DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA，最小扩容量为DEFAULT_CAPACITY，否则为0
    int minExpand = (elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)? 0: DEFAULT_CAPACITY;
    //如果想要的最小容量大于最小扩容量，则使用想要的最小容量。
    if (minCapacity > minExpand) {
        ensureExplicitCapacity(minCapacity);
    }
}
/**
* 数组容量检查，不够时则进行扩容，只供类内部使用。
* 
* @param minCapacity    想要的最小容量
*/
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    // 若elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA，则取minCapacity为DEFAULT_CAPACITY和参数minCapacity之间的最大值
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }

    ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
/**
* 数组容量检查，不够时则进行扩容，只供类内部使用
* 
* @param minCapacity 想要的最小容量
*/
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;

    // 确保指定的最小容量 > 数组缓冲区当前的长度  
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        //扩容
        grow(minCapacity);
}

/**
 * 分派给arrays的最大容量
 * 为什么要减去8呢？
 * 因为某些VM会在数组中保留一些头字，尝试分配这个最大存储容量，可能会导致array容量大于VM的limit，最终导致OutOfMemoryError。
 */
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

/**
* 扩容，保证ArrayList至少能存储minCapacity个元素
* 第一次扩容，逻辑为newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);即在原有的容量基础上增加一半。第一次扩容后，如果容量还是小于minCapacity，就将容量扩充为minCapacity。
* 
* @param minCapacity 想要的最小容量
*/
private void grow(int minCapacity) {
    // 获取当前数组的容量
    int oldCapacity = elementData.length;
    // 扩容。新的容量=当前容量+当前容量/2.即将当前容量增加一半。
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    //如果扩容后的容量还是小于想要的最小容量
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        //将扩容后的容量再次扩容为想要的最小容量
        newCapacity = minCapacity;
    //如果扩容后的容量大于临界值，则进行大容量分配
    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);
}
/**
* 进行大容量分配
*/
private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
    //如果minCapacity<0，抛出异常
    if (minCapacity < 0) // overflow
        throw new OutOfMemoryError();
    //如果想要的容量大于MAX_ARRAY_SIZE，则分配Integer.MAX_VALUE，否则分配MAX_ARRAY_SIZE
    return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
        Integer.MAX_VALUE :
        MAX_ARRAY_SIZE;
}

1. 进行空间检查，决定是否进行扩容，以及确定最少需要的容量
2. 如果确定扩容，就执行grow(int minCapacity)，minCapacity为最少需要的容量
3. 第一次扩容，逻辑为newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);即在原有的容量基础上增加一半。
4. 第一次扩容后，如果容量还是小于minCapacity，就将容量扩充为minCapacity。
5. 对扩容后的容量进行判断，如果大于允许的最大容量MAX_ARRAY_SIZE，则将容量再次调整为MAX_ARRAY_SIZE。至此扩容操作结束。

add( int index, E element)

/**
 * 在制定位置插入元素。当前位置的元素和index之后的元素向后移一位
 *
 * @param index 即将插入元素的位置
 * @param element 即将插入的元素
 * @throws IndexOutOfBoundsException 如果索引超出size
 */
public void add(int index, E element) {
    //越界检查
    rangeCheckForAdd(index);
    //确认list容量，如果不够，容量加1。注意：只加1，保证资源不被浪费
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    // 对数组进行复制处理，目的就是空出index的位置插入element，并将index后的元素位移一个位置
    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,size - index);
    //将指定的index位置赋值为element
    elementData[index] = element;
    //实际容量+1
    size++;
}

remove( int index)

/**
 * 删除list中位置为指定索引index的元素
 * 索引之后的元素向左移一位
 *
 * @param index 被删除元素的索引
 * @return 被删除的元素
 * @throws IndexOutOfBoundsException 如果参数指定索引index>=size，抛出一个越界异常
 */
public E remove(int index) {
    //检查索引是否越界。如果参数指定索引index>=size，抛出一个越界异常
    rangeCheck(index);
    //结构性修改次数+1
    modCount++;
    //记录索引为inde处的元素
    E oldValue = elementData(index);

    // 删除指定元素后，需要左移的元素个数
    int numMoved = size - index - 1;
    //如果有需要左移的元素，就移动（移动后，该删除的元素就已经被覆盖了）
    if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                         numMoved);
    // size减一，然后将索引为size-1处的元素置为null。为了让GC起作用，必须显式的为最后一个位置赋null值
    elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work

    //返回被删除的元素
    return oldValue;
}

/**
 * 越界检查。
 * 检查给出的索引index是否越界。
 * 如果越界，抛出运行时异常。
 * 这个方法并不检查index是否合法。比如是否为负数。
 * 如果给出的索引index>=size，抛出一个越界异常
 */
private void rangeCheck(int index) {
    if (index >= size)
        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}