Java中的ArrayList集合源碼解析
前言
ArrayList是一種以數(shù)組實現(xiàn)的List，與數(shù)組相比，它具有動態(tài)擴展的能力，因此也可稱之為動態(tài)數(shù)組。
在ArrayList集合里面可以存儲任何類型的數(shù)據(jù)， 而且它是一個順序容器，存放的數(shù)據(jù)順序就是和我們放入的順序是一致的，而且它還允許我們放入null元素。
繼承體系
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{...}- ArrayList實現(xiàn)了List，提供了基礎的添加、刪除、遍歷等操作。
- ArrayList實現(xiàn)了RandomAccess，提供了隨機訪問的能力。
- ArrayList實現(xiàn)了Cloneable，可以被克隆。
- ArrayList實現(xiàn)了Serializable，可以被序列化。
源碼解析
屬性
/**
* 默認容量
*/
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
/**
* 空數(shù)組，如果傳入的容量為0時使用
*/
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/**
* 空數(shù)組，傳傳入容量時使用，添加第一個元素的時候會重新初始為默認容量大小
*/
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/**
* 存儲元素的數(shù)組
*/
transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
/**
* 集合中元素的個數(shù)
*/
private int size;（1）DEFAULT_CAPACITY：默認容量為10，也就是通過new ArrayList()創(chuàng)建時的默認容量。
（2）EMPTY_ELEMENTDATA：空的數(shù)組，這種是通過new ArrayList(0)創(chuàng)建時用的是這個空數(shù)組。
（3）DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA：也是空數(shù)組，這種是通過new ArrayList()創(chuàng)建時用的是這個空數(shù)組，與EMPTY_ELEMENTDATA的區(qū)別是在添加第一個元素時使用這個空數(shù)組的會初始化為DEFAULT_CAPACITY（10）個元素。
（4）elementData：真正存放元素的地方。
（5）size：真正存儲元素的個數(shù)，而不是elementData數(shù)組的長度。
為什么ArrayList的elementData數(shù)組要加上transient修飾?
由于ArrayList有自動擴容機制，所以ArrayList的elementData數(shù)組大小往往比現(xiàn)有的元素數(shù)量大，如果不加transient直接序列化的話會把數(shù)組中空余的位置也序列化了，浪費不少的空間。
ArrayList中重寫了序列化和反序列化對應的writeObject和readObject方法，在遍歷數(shù)組元素時，以 size 作為結(jié)束標志，只序列化ArrayList中已經(jīng)存在的元素。
ArrayList(int initialCapacity)構(gòu)造方法
public ArrayList(int initialCapacity) {
if (initialCapacity > 0) {
// 如果傳入的初始容量大于0，就新建一個數(shù)組存儲元素
this.elementData = new Object[initialCapacity];
} else if (initialCapacity == 0) {
// 如果傳入的初始容量等于0，使用空數(shù)組EMPTY_ELEMENTDATA
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
} else {
// 如果傳入的初始容量小于0，拋出異常
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: " + initialCapacity);
}
}ArrayList()構(gòu)造方法
public ArrayList() {
// 如果沒有傳入初始容量，則使用空數(shù)組DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
// 使用這個數(shù)組是在添加第一個元素的時候會擴容到默認大小10
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}ArrayList 構(gòu)造方法
/**
* 把傳入集合的元素初始化到ArrayList中
*/
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
// 集合轉(zhuǎn)數(shù)組
elementData = c.toArray();
if ((size = elementData.length) != 0) {
// 檢查c.toArray()返回的是不是Object[]類型，如果不是，重新拷貝成Object[].class類型
if (elementData.getClass() != Object[].class)
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
} else {
// 如果c的空集合，則初始化為空數(shù)組EMPTY_ELEMENTDATA
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}
}add(E e)方法
添加元素到末尾，平均時間復雜度為O(1)。
public boolean add(E e) {
// 檢查是否需要擴容
ensureCapacityInternal(size + 1);
// 把元素插入到最后一位
elementData[size++] = e;
return true;
}
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}
private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
// 如果是空數(shù)組DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA，就初始化為默認大小10
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
return minCapacity;
}
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
modCount++;
if (minCapacity - elementData.length > 0)
// 擴容
grow(minCapacity);
}
private void grow(int minCapacity) {
int oldCapacity = elementData.length;
// 新容量為舊容量的1.5倍
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
// 如果新容量發(fā)現(xiàn)比需要的容量還小，則以需要的容量為準
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
// 如果新容量已經(jīng)超過最大容量了，則使用最大容量
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
// 以新容量拷貝出來一個新數(shù)組
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}add(int index, E element)方法
添加元素到指定位置，平均時間復雜度為O(n)。
public void add(int index, E element) {
// 檢查是否越界
rangeCheckForAdd(index);
// 檢查是否需要擴容
ensureCapacityInternal(size + 1);
// 將inex及其之后的元素往后挪一位，則index位置處就空出來了
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
size - index);
// 將元素插入到index的位置
elementData[index] = element;
// 大小增1
size++;
}
private void rangeCheckForAdd(int index) {
if (index > size || index < 0)
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}ArrayList在新增的時候為什么慢？
通過以上的源碼，我們可以看出ArrayList有指定index新增，也有直接新增的，在這之前他會有一步校驗長度的判斷ensureCapacityInternal，就是說如果長度不夠，是需要擴容的。
在擴容的時候，老版本的jdk和8以后的版本是有區(qū)別的，8之后的效率更高了，采用了位運算，右移一位，其實就是除以2這個操作。int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);新增后的數(shù)組容量是舊數(shù)組容量的1.5倍。
指定位置新增的時候，在校驗之后的操作很簡單，就是數(shù)組的copy，System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index);，為了更好的解釋，這里畫個圖，如下：
比如有下面這樣一個數(shù)組我需要在index 4 的位置去新增一個元素 a
從代碼里面我們可以看到，它復制了一個數(shù)組，是從index 4 的位置開始的，然后把它放在了index 4+1 的位置
給我們要新增的元素騰出了位置，然后在index的位置放入元素a就完成了新增的操作了。
這只是在一個這么小的List里面操作，要是我去一個幾百幾千幾萬大小的List新增一個元素，那就需要后面所有的元素都復制，然后如果再涉及到擴容啥的就更慢了不是嘛。
addAll 方法
求兩個集合的并集。
/**
* 將集合c中所有元素添加到當前ArrayList中
*/
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
// 將集合c轉(zhuǎn)為數(shù)組
Object[] a = c.toArray();
int numNew = a.length;
// 檢查是否需要擴容
ensureCapacityInternal(size + numNew);
// 將c中元素全部拷貝到數(shù)組的最后
System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
// 大小增加c的大小
size += numNew;
// 如果c不為空就返回true，否則返回false
return numNew != 0;
}get(int index)方法
獲取指定索引位置的元素，時間復雜度為O(1)。
public E get(int index) {
// 檢查是否越界
rangeCheck(index);
// 返回數(shù)組index位置的元素
return elementData(index);
}
private void rangeCheck(int index) {
if (index >= size)
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
E elementData(int index) {
return (E) elementData[index];
}（1）檢查索引是否越界，這里只檢查是否越上界，如果越上界拋出IndexOutOfBoundsException異常，如果越下界拋出的是ArrayIndexOutOfBoundsException異常。
（2）返回索引位置處的元素；
remove(int index)方法
刪除指定索引位置的元素，時間復雜度為O(n)。
public E remove(int index) {
// 檢查是否越界
rangeCheck(index);
modCount++;
// 獲取index位置的元素
E oldValue = elementData(index);
// 如果index不是最后一位，則將index之后的元素往前挪一位
int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
// 將最后一個元素刪除，幫助GC
elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
// 返回舊值
return oldValue;
}remove(Object o)方法
刪除指定元素值的元素，時間復雜度為O(n)。
public boolean remove(Object o) {
if (o == null) {
// 遍歷整個數(shù)組，找到元素第一次出現(xiàn)的位置，并將其快速刪除
for (int index = 0; index < size; index++)
// 如果要刪除的元素為null，則以null進行比較，使用==
if (elementData[index] == null) {
fastRemove(index);
return true;
}
} else {
// 遍歷整個數(shù)組，找到元素第一次出現(xiàn)的位置，并將其快速刪除
for (int index = 0; index < size; index++)
// 如果要刪除的元素不為null，則進行比較，使用equals()方法
if (o.equals(elementData[index])) {
fastRemove(index);
return true;
}
}
return false;
}
private void fastRemove(int index) {
// 少了一個越界的檢查
modCount++;
// 如果index不是最后一位，則將index之后的元素往前挪一位
int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
// 將最后一個元素刪除，幫助GC
elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
}（1）找到第一個等于指定元素值的元素；
（2）快速刪除，fastRemove(int index)相對于remove(int index)少了檢查索引越界的操作。
retainAll方法
求兩個集合的交集。
public boolean retainAll(Collection<?> c) {
// 集合c不能為null
Objects.requireNonNull(c);
// 調(diào)用批量刪除方法，這時complement傳入true，表示刪除不包含在c中的元素
return batchRemove(c, true);
}
/**
* 批量刪除元素
* complement為true表示刪除c中不包含的元素
* complement為false表示刪除c中包含的元素
*/
private boolean batchRemove(Collection<?> c, boolean complement) {
final Object[] elementData = this.elementData;
// 使用讀寫兩個指針同時遍歷數(shù)組
// 讀指針每次自增1，寫指針放入元素的時候才加1
// 這樣不需要額外的空間，只需要在原有的數(shù)組上操作就可以了
int r = 0, w = 0;
boolean modified = false;
try {
// 遍歷整個數(shù)組，如果c中包含該元素，則把該元素放到寫指針的位置（以complement為準）
for (; r < size; r++)
if (c.contains(elementData[r]) == complement)
elementData[w++] = elementData[r];
} finally {
// 正常來說r最后是等于size的，除非c.contains()拋出了異常
if (r != size) {
// 如果c.contains()拋出了異常，則把未讀的元素都拷貝到寫指針之后
System.arraycopy(elementData, r,
elementData, w,
size - r);
w += size - r;
}
if (w != size) {
// 將寫指針之后的元素置為空，幫助GC
for (int i = w; i < size; i++)
elementData[i] = null;
modCount += size - w;
// 新大小等于寫指針的位置（因為每寫一次寫指針就加1，所以新大小正好等于寫指針的位置）
size = w;
modified = true;
}
}
// 有修改返回true
return modified;
}（1）遍歷elementData數(shù)組；
（2）如果元素在 c 中，則把這個元素添加到 elementData 數(shù)組的 w 位置并將 w 位置往后移一位；
（3）遍歷完之后，w 之前的元素都是兩者共有的，w 之后（包含）的元素不是兩者共有的；
（4）將 w 之后（包含）的元素置為null，方便 GC 回收；
removeAll
求兩個集合的單方向差集，只保留當前集合中不在c中的元素，不保留在c中不在當前集體中的元素。
public boolean removeAll(Collection<?> c) {
// 集合c不能為空
Objects.requireNonNull(c);
// 同樣調(diào)用批量刪除方法，這時complement傳入false，表示刪除包含在c中的元素
return batchRemove(c, false);
}與retainAll(Collection<?> c)方法類似，只是這里保留的是不在c中的元素。
總結(jié)
（1）ArrayList內(nèi)部使用數(shù)組存儲元素，擴容時，每次加一半的空間，ArrayList不會進行縮容。
（2）ArrayList支持隨機訪問，通過索引訪問元素極快，時間復雜度為O(1)。
（3）ArrayList添加元素到尾部極快，平均時間復雜度為O(1)。
（4）ArrayList添加元素到中間比較慢，因為要搬移元素，平均時間復雜度為O(n)。
（5）ArrayList從尾部刪除元素極快，時間復雜度為O(1)。
（6）ArrayList從中間刪除元素比較慢，因為要搬移元素，平均時間復雜度為O(n)。
（7）ArrayList支持求并集，調(diào)用addAll(Collection<? extends E> c)方法即可。
（8）ArrayList支持求交集，調(diào)用retainAll(Collection<? extends E> c)方法即可。
（7）ArrayList支持求單向差集，調(diào)用removeAll(Collection<? extends E> c)方法即可。
到此這篇關于Java中的ArrayList集合源碼解析的文章就介紹到這了,更多相關ArrayList源碼內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持腳本之家！
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