Java容器源码分析-ArrayList

 概览

因为 ArrayList 是基于数组实现的，所以支持快速随机访问。RandomAccess 接口标识着该类支持快速随机访问。

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

数组的默认大小为 10。

private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

扩容

添加元素时使用 ensureCapacityInternal() 方法来保证容量足够，如果不够时，需要使用 grow() 方法进行扩容，新容量的大小为 ArraysSupport.newLength(oldCapacity,minCapacity - oldCapacity, oldCapacity >> 1); ，即newLength = Math.max(minCapacity - oldCapacity, oldCapacity >> 1) + oldCapacity; 。扩容操作需要调用 Arrays.copyOf() 把原数组整个复制到新数组中，这个操作代价很高，因此最好在创建 ArrayList 对象时就指定大概的容量大小，减少扩容操作的次数。

public boolean add(E e) {  // 直接添加
        modCount++;
        add(e, elementData, size);
        return true;
    }

public void add(int index, E element) {  // 根据索引添加
        rangeCheckForAdd(index);
        modCount++;
        final int s;
        Object[] elementData;
        if ((s = size) == (elementData = this.elementData).length)
            elementData = grow();
        System.arraycopy(elementData, index,
                         elementData, index + 1,
                         s - index);
        elementData[index] = element;
        size = s + 1;
    }

private void add(E e, Object[] elementData, int s) {
        if (s == elementData.length)
            elementData = grow();
        elementData[s] = e;
        size = s + 1;
    }

private Object[] grow() {
        return grow(size + 1);
    }

private Object[] grow(int minCapacity) {
        int oldCapacity = elementData.length;
        if (oldCapacity > 0 || elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
            int newCapacity = ArraysSupport.newLength(oldCapacity,
                    minCapacity - oldCapacity, /* minimum growth */
                    oldCapacity >> 1           /* preferred growth */);
            return elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
        } else {
            return elementData = new Object[Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity)];
        }
    }

删除元素

需要调用 System.arraycopy() 将 index+1 后面的元素都复制到 index 位置上，该操作的时间复杂度为 O(N)，可以看到 ArrayList 删除元素的代价是非常高的。

 public E remove(int index) {   //根据索引删除
        Objects.checkIndex(index, size);
        final Object[] es = elementData;

        @SuppressWarnings("unchecked") E oldValue = (E) es[index];
        fastRemove(es, index);

        return oldValue;
    }

public boolean remove(Object o) {  // 根据对象删除
        final Object[] es = elementData;
        final int size = this.size;
        int i = 0;
        found: {
            if (o == null) {
                for (; i < size; i++)
                    if (es[i] == null)
                        break found;
            } else {
                for (; i < size; i++)
                    if (o.equals(es[i]))  // 若存在等价的多个要删除的对象，只删除第一个
                        break found;
            }
            return false;
        }
        fastRemove(es, i);
        return true;
    }

private void fastRemove(Object[] es, int i) {
        modCount++;
        final int newSize;
        if ((newSize = size - 1) > i)
            System.arraycopy(es, i + 1, es, i, newSize - i);
        es[size = newSize] = null;
    }

set

根据索引删除，返回被删除的值

public E set(int index, E element) {
        Objects.checkIndex(index, size);
        E oldValue = elementData(index);
        elementData[index] = element;
        return oldValue;
    }

序列化

ArrayList 基于数组实现，并且具有动态扩容特性，因此保存元素的数组不一定都会被使用，那么就没必要全部进行序列化。

保存元素的数组 elementData 使用 transient 修饰，该关键字声明数组默认不会被序列化

transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access

ArrayList 实现了 writeObject() 和 readObject() 来控制只序列化数组中有元素填充那部分内容。

@java.io.Serial
    private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
        throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {

        // Read in size, and any hidden stuff
        s.defaultReadObject();

        // Read in capacity
        s.readInt(); // ignored

        if (size > 0) {
            // like clone(), allocate array based upon size not capacity
            SharedSecrets.getJavaObjectInputStreamAccess().checkArray(s, Object[].class, size);
            Object[] elements = new Object[size];

            // Read in all elements in the proper order.
            for (int i = 0; i < size; i++) {
                elements[i] = s.readObject();
            }

            elementData = elements;
        } else if (size == 0) {
            elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        } else {
            throw new java.io.InvalidObjectException("Invalid size: " + size);
        }
    }

@java.io.Serial
    private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
        throws java.io.IOException {
        // Write out element count, and any hidden stuff
        int expectedModCount = modCount;
        s.defaultWriteObject();

        // Write out size as capacity for behavioral compatibility with clone()
        s.writeInt(size);

        // Write out all elements in the proper order.
        for (int i=0; i<size; i++) {
            s.writeObject(elementData[i]);
        }

        if (modCount != expectedModCount) {
            throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }

序列化时需要使用 ObjectOutputStream 的 writeObject() 将对象转换为字节流并输出。而 writeObject() 方法在传入的对象存在 writeObject() 的时候会去反射调用该对象的 writeObject() 来实现序列化。反序列化使用的是 ObjectInputStream 的 readObject() 方法，原理类似。

Fail-Fast

modCount 用来记录 ArrayList 结构发生变化的次数。结构发生变化是指添加或者删除至少一个元素的所有操作，或者是调整内部数组的大小，仅仅只是设置元素的值不算结构发生变化。

在进行序列化或者迭代等操作时，需要比较操作前后 modCount 是否改变，如果改变了需要抛出 ConcurrentModificationException。代码参考上节序列化中的 writeObject() 方法。

对ArrayList进行操作的测试：

public class AnalyseArrayList {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<String> strings = new ArrayList();
        strings.add("aaa");
        strings.add("bbb");
        strings.add("ccc");
        strings.add("aaa");
        // strings.add(1);

        System.out.println("-------------直接添加后---------------");
        for (String str:strings){
            System.out.println(str);
        }

        strings.add(1,"zzz");
        System.out.println("-------------根据索引添加后---------------");
        for (String str:strings){
            System.out.println(str);
        }

        strings.remove(2);
        System.out.println("-------------根据索引删除后---------------");
        for (String str:strings){
            System.out.println(str);
        }

        strings.remove("aaa");
        System.out.println("-------------根据对象删除后---------------");
        for (String str:strings){
            System.out.println(str);
        }
        strings.set(0,"ooo");
        System.out.println("-------------进行set操作后---------------");
        for (String str:strings){
            System.out.println(str);
        }
    }
}