ArrayList集合详解

1、简介：

ArrayList 是 java 集合框架中比较常用的数据结构了。继承自 AbstractList，实现了 List 接口。底层基于数组实现容量大小动态变化。允许 null 的存在。同时还实现了 RandomAccess、Cloneable、Serializable 接口，所以ArrayList 是支持快速访问、复制、序列化的。

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

 

注意：RandomAccess

public interface RandomAccess {
}

RandomAccess接口是一个标志接口（Marker），这个可以查看Collections的源码查看

    public static <T>
    int binarySearch(List<? extends Comparable<? super T>> list, T key) {
        if (list instanceof RandomAccess || list.size()<BINARYSEARCH_THRESHOLD)
            return Collections.indexedBinarySearch(list, key);
        else
            return Collections.iteratorBinarySearch(list, key);
    }

从上面源码可以得出结论：如果实现RandomAccess接口或者集合的实际存储值小于5000，就使用就采用 index 的方式遍历, 反之就采用 iterator 的方式遍历。

2、成员变量说明

    /**
     * Default initial capacity.
     */
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

　　没有给定集合长度默认是10

  /**
     * The size of the ArrayList (the number of elements it contains).
     *
     * @serial
     */
    private int size;

　  ArrayList实际存储的长度　

protected transient int modCount = 0;

　　这个变量是定义在 AbstractList 中的。记录对 List 操作的次数。主要使用是在 Iterator，是防止在迭代的过程中集合被修改

    /**
     * Shared empty array instance used for empty instances.
     */
    private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

    /**
     * Shared empty array instance used for default sized empty instances. We
     * distinguish this from EMPTY_ELEMENTDATA to know how much to inflate when
     * first element is added.
     */
    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

      两个空的数组有什么区别呢？ We distinguish this from EMPTY_ELEMENTDATA to know how much to inflate when first element is added. 简单来讲就是第一次添加元素时知道该 elementData 从空的构造函数还是有参构造函数被初始化的。以便确认如何扩容。

3、构造函数：

3.1、无参构造器

 /**
     * Constructs an empty list with an initial capacity of ten.
     */
    public ArrayList() {
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }

配合add的这段代码

    private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
            return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }
        return minCapacity;
    }

注意：注释是说构造一个容量大小为 10 的空的 list 集合，但构造函数了只是给 elementData 赋值了一个空的数组，其实是在第一次添加元素时容量扩大至 10 的。

3.2、有参构造器

 /**
     * Constructs an empty list with the specified initial capacity.
     *
     * @param  initialCapacity  the initial capacity of the list
     * @throws IllegalArgumentException if the specified initial capacity
     *         is negative
     */
    public ArrayList(int initialCapacity) {
        if (initialCapacity > 0) {
            this.elementData = new Object[initialCapacity];
        } else if (initialCapacity == 0) {
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        } else {
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                               initialCapacity);
        }
    }

 　  当使用无参构造函数时是把 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 赋值给 elementData。添加add方法时候默认长度为10

　　当 initialCapacity 为零时则是把 EMPTY_ELEMENTDATA 赋值给 elementData。添加add方法时候默认是零需要扩容，扩容为1

　　当 initialCapacity 大于零时初始化一个大小为 initialCapacity 的 object 数组并赋值给 elementData。

　　总结：DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA和EMPTY_ELEMENTDATA是为了区分是无参构造器创建还是指定长度创建

3.2、使用collection来调用ArrayList构造器

 public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
        elementData = c.toArray();
        if ((size = elementData.length) != 0) {
            // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
            if (elementData.getClass() != Object[].class)
                elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
        } else {
            // replace with empty array.
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        }
    }

　　将 Collection 转化为数组并赋值给 elementData，把 elementData 中元素的个数赋值给 size。 如果 size 不为零，则判断 elementData 的 class 类型是否为 Object[]，不是的话则做一次转换。 如果 size 为零，则把 EMPTY_ELEMENTDATA 赋值给 elementData，相当于new ArrayList(0)。

4、主要的方法

 public boolean add(E e) {
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }

   private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
    }

 private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        modCount++;

        // overflow-conscious code
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
    }

 private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
            return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }
        return minCapacity;
    }

每次添加元素的时候都要确认容器的大小，拿实际存储的长度+1去和能够存储的长度elementData.length进行比较，如果实际长度大于能够存储的长度就会进行扩容，扩容的时候

private void grow(int minCapacity) {
    // overflow-conscious code
    int oldCapacity = elementData.length;
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    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);
}

默认将扩容至原来容量的 1.5 倍。但是扩容之后也不一定适用，有可能太小，有可能太大。所以才会有下面两个 if 判断。如果1.5倍太小的话，则将我们所需的容量大小赋值给newCapacity，如果1.5倍太大或者我们需要的容量太大，那就直接拿 newCapacity = (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ? Integer.MAX_VALUE : MAX_ARRAY_SIZE 来扩容。然后将原数组中的数据复制到大小为 newCapacity 的新数组中，并将新数组赋值给 elementData。

 private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
        if (minCapacity < 0) // overflow
            throw new OutOfMemoryError();
        return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
            Integer.MAX_VALUE :
            MAX_ARRAY_SIZE;
    }

 

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

        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                         size - index);
        elementData[index] = element;
        size++;
    }

public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
        Object[] a = c.toArray();
        int numNew = a.length;
        ensureCapacityInternal(size + numNew);  // Increments modCount
        System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
        size += numNew;
        return numNew != 0;
    }

public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
        rangeCheckForAdd(index);

        Object[] a = c.toArray();
        int numNew = a.length;
        ensureCapacityInternal(size + numNew);  // Increments modCount

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

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

add(int index, E element)，addAll(Collection<? extends E> c)，addAll(int index, Collection<? extends E> c) 操作是都是先对集合容量检查 ，以确保不会数组越界。然后通过 System.arraycopy() 方法将旧数组元素拷贝至一个新的数组中去。

 

   public static native void arraycopy(Object src,  int  srcPos,
                                        Object dest, int destPos,
                                        int length);

参数：

    src：要复制的数组(源数组)

    srcPos：复制源数组的起始位置

    dest：目标数组

    destPos：目标数组的下标位置

    length：要复制的长度

remove 操作

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

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

        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;
    }

  public boolean remove(Object o) {
        if (o == null) {
            for (int index = 0; index < size; index++)
                if (elementData[index] == null) {
                    fastRemove(index);
                    return true;
                }
        } else {
            for (int index = 0; index < size; index++)
                if (o.equals(elementData[index])) {
                    fastRemove(index);
                    return true;
                }
        }
        return false;
    }

  private void fastRemove(int index) {
        modCount++;
        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
    }

当调用 remove(int index) 时，首先会检查 index 是否合法，然后再判断要删除的元素是否位于数组的最后一个位置。如果 index 不是最后一个，就再次调用 System.arraycopy() 方法拷贝数组。然后将数组的最后一个位置空，size - 1；

当调用remove(Object o)时，首先判断o是否为null，如果为null，就在elementData寻找值为null的，然后调用fastRemove删除，过程和remove(int index) 差不多。

get过程

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

        return elementData(index);
    }

首先判断数组有没有越界，如果没有直接根据下标获取数据返回。

5、迭代器 iterator

在用 增强for 遍历集合的时候是不可以对集合进行 remove操作的，因为 remove 操作会改变集合的大小。从而容易造成结果不准确甚至数组下标越界，更严重者还会抛出 ConcurrentModificationException。

 5、迭代器 iterator

 private class Itr implements Iterator<E> {
        int cursor;       // index of next element to return
        int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such
        int expectedModCount = modCount;

        Itr() {}

        public boolean hasNext() {
            return cursor != size;
        }

        @SuppressWarnings("unchecked")
        public E next() {
            checkForComodification();
            int i = cursor;
            if (i >= size)
                throw new NoSuchElementException();
            Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
            if (i >= elementData.length)
                throw new ConcurrentModificationException();
            cursor = i + 1;
            return (E) elementData[lastRet = i];
        }

        public void remove() {
            if (lastRet < 0)
                throw new IllegalStateException();
            checkForComodification();

            try {
                ArrayList.this.remove(lastRet);
                cursor = lastRet;
                lastRet = -1;
                expectedModCount = modCount;
            } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
                throw new ConcurrentModificationException();
            }
        }final void checkForComodification() {
            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }

cursor：代表下一个要访问的元素下标。 lastRet：代表当前访问的元素的下标，刚开始默认是-1。 expectedModCount：代表对 ArrayList 修改次数的期望值，初始值为 modCount

下面看看 Itr 的三个主要函数

hasNext 如果下一个元素的下标等于集合的大小 ，就证明到最后了

next 方法也不复杂，但很关键。首先判断 expectedModCount 和 modCount 是否相等。然后对 cursor 进行判断，看是否超过集合大小和数组长度。然后将 cursor 赋值给 lastRet ，并返回下标为 lastRet 的元素。最后将 cursor 自增 1。开始时，cursor = 0，lastRet = -1；每调用一次 next 方法， cursor 和 lastRet 都会自增 1。

 

remove 方法首先会判断 lastRet 的值是否小于 0，然后在检查 expectedModCount 和 modCount 是否相等。直接调用 ArrayList 的 remove 方法删除下标为 lastRet 的元素。然后将 lastRet 赋值给 cursor ，将 lastRet 重新赋值为 -1，并将 modCount 重新赋值给 expectedModCount。

下面用图来表示下删除的报错过程：

在没有遍历的时候，cursor为0，lastRet为-1

 当调用next的时候lastRet变为0而cursor变为1，当0的位置的值为1的时候，执行ArrayList的remove，这时候modCount+1，而expectedModCount不变，这时候modCount和expectedModCount不相等

当调用next的时候，首先检查modCount和expectedModCount是否相等，如果不相等就报错：ConcurrentModificationException

直接调用 iterator.remove() 即可。因为在该方法中增加了 expectedModCount = modCount 操作

但是这个 remove 方法也有弊端。

1. 只能进行remove操作，add、clear 等 Itr 中没有。
2. 调用 remove 之前必须先调用 next。因为 remove 开始就对 lastRet 做了校验。而 lastRet 初始化时为 -1。
3. next 之后只可以调用一次 remove。因为 remove 会将 lastRet 重新初始化为 -1

总结： ArrayList 底层基于数组实现容量大小动态可变。 扩容机制为首先扩容为原始容量的 1.5 倍。如果1.5倍太小的话，则将我们所需的容量大小赋值给 newCapacity，如果1.5倍太大或者我们需要的容量太大，那就直接拿 newCapacity = (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ? Integer.MAX_VALUE : MAX_ARRAY_SIZE 来扩容。 扩容之后是通过数组的拷贝来确保元素的准确性的，所以尽可能减少扩容操作。 ArrayList 的最大存储能力：Integer.MAX_VALUE。 size 为集合中存储的元素的个数。elementData.length 为数组长度，表示最多可以存储多少个元素。 如果需要边遍历边 remove ，必须使用 iterator。且 remove 之前必须先 next，next 之后只能用一次 remove。