由JDK源码学习ArrayList

ArrayList是实现了List接口的动态数组.与java中的数组相比,它的容量能动态增长.ArrayList的三大特点:

　　① 底层采用数组结构

　　② 有序

　　③ 非同步

下面我们从ArrayList的增加元素、获取元素、删除元素三个方面来学习ArrayList。

ArrayList添加元素

因为ArrayList是采用数组实现的,其源代码比较简单.首先我们来看ArrayList的add(E e).以下代码版本是jdk7。

public boolean add(E e) {
    // 检查数组容量
    ensureCapacityInternal(size + 1);  
    elementData[size++] = e;
    return true;
}
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    // 计算数组长度
    if (elementData == EMPTY_ELEMENTDATA) {
        minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    
    ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    // 模数自增,fail-fast机制
    modCount++;

    // 如果超过当前数组的长度,调用grow()方法增加数组长度
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);
}
private void grow(int minCapacity) {
    int oldCapacity = elementData.length;
    // 新的容量=oldCapacity+oldCapacity/2
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    // 创建新的数组,把原数组的数据添加到新数组里面
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

　　从上面的代码可以看到,add()方法关键点在于数组容量的处理,添加元素只是将在elementData[size++]处保存e的引用.从grow()方法中我们看到,数组的动态增长时的新长度=原长度+原长度/2.这里和jdk6中有点区别,具体可以查看下jdk6的源码.

　　ArrayList中还可以添加元素到指定位置.add(index,element):

public void add(int index, E element) {
        rangeCheckForAdd(index);

        ensureCapacityInternal(size + 1);  
        // 将index之后的元素往后挪一个位置,腾出elementData[i]的位置
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                         size - index);
        elementData[index] = element;
        size++;
    }

　　代码中看到,add(index,element)方法会造成element[index+1]到element[size]的元素往后挪动,极端情况下(size+1>element.length),要新建数组并且挪动所有元素.这会带来额外的开销,所以,如果不是特别需要,建议使用add(e)方法添加元素.

ArrayList获取元素

　　ArrayList底层是采用数组存储,所以最简单也最快的获取方式是通过脚标访问.

public E get(int index) {
        rangeCheck(index);

        return elementData(index);
    }

接下来,我们看下ArrayList的遍历.ArrayList有三种遍历方式：脚标访问,foreach循环遍历,迭代器遍历.下面我们来对比下三种方式的效率.

    public class ArrayListDemo {

    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
        for(int i = 0;i<10000000;++i){
            list.add(i);
        }
        System.out.println("access by index spend time : "+printListByIndex(list));
        System.out.println("access by for spend time : "+printListByFor(list));
        System.out.println("access by iterator spend time : "+printListByIterator(list));
    }
    
    public static long printListByIndex(List list) {
        if(checkList(list)){
            throw new IllegalArgumentException("list is null or list.size=0");
        }
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        for(int i=0;i<list.size();++i){
            list.get(i);
        }
        long endTime = System.currentTimeMillis();
        return endTime - startTime;
    }

    public static long printListByFor(List list) {
        if(checkList(list)){
            throw new IllegalArgumentException("list is null or list.size=0");
        }
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        for(Object obj : list){
            // 
        }
        long endTime = System.currentTimeMillis();
        return endTime - startTime;
    }

    public static long printListByIterator(List list) {
        if(checkList(list)){
            throw new IllegalArgumentException("list is null or list.size=0");
        }
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        Iterator iterator = list.iterator();
        while(iterator.hasNext()){
            //
            iterator.next();
        }
        long endTime = System.currentTimeMillis();
        return endTime - startTime;
    }
    
    public static boolean checkList(List list){
        return null==list || list.size()<1;
    }
}

运行结果如图:

　　

ps:每次运行的结果可能不同,但在我的几次试验中,用脚标访问的方式是最快的,使用foreach循环是相对而言最慢的.

由上面的运行结果,建议遍历ArrayList时使用脚标遍历,这样效率最高.

ArrayList删除元素

public E remove(int index) {
        //检查index合法性
        rangeCheck(index);

        modCount++;
        E oldValue = elementData(index);
        // 如果移除最后一个元素,则elementData[--size]==null,
        // 如果不是最后一个元素,则将index之后的元素往前挪一个位置
        int numMoved = size - index - 1;
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                             numMoved);
        elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work

        return oldValue;
    }

由上面的代码,可以知道,如果删除的元素不是最后一个元素,会造成元素的移动.这也会带来额外的开销.

由上面的学习和分析,我们可以得出如下结论:ArrayList底层采用的数组结构,对get(index)、set(index,element)操作具备很好的性能,但频繁的增删会影响ArrayList的性能(数组中元素位置移动的开销或者新建数组转移元素带来的开销).所以ArrayList并不适合频繁增删元素的应用场景,另外,在初始化ArrayList时,如果能够预估ArrayList容量来设置初始容量,会减少ArrayList转移元素时的开销,从而提升应用程序的性能.

以上就是本人对ArrayList源码的学习,欢迎大家一起交流讨论!