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  • JDK1.8中ArrayList的实现原理及源码分析

    一、概述

                 ArrayList是Java开发中使用比较频繁的一个类,通过对源码的解读,可以了解ArrayList的内部结构以及实现方法,清楚它的优缺点,以便我们在编程时灵活运用。

    二、源码分析

    2.1 类结构

     JDK1.8源码中的ArrayList类结构定义如下:

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

    实现了List接口是一个数组队列拥有了List基本的增删改查功能
    实现了RandomAccess接口拥有随机读写的功能
    实现了Cloneable接口可以被克隆
    实现了Serializable接口并重写了序列化和反序列化方法,使得ArrayList可以拥有更好的序列化的性能
    2.2 成员变量和几个构造方法 

    /**
    * 定义序列化ID,主要是为了表示不同的版本的兼容性
    */
    private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;

    /**
    * 默认的数组存储容量(ArrayList底层是数组结构)
    */
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

    /**
    * 当指定数组的容量为0时使用这个常量赋值
    */
    private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

    /**
    * 默认空参构造函数时使用这个常量赋值
    */
    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

    /**
    * 真正存放数据的对象数组,transient标识不被序列化
    */
    transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access

    /**
    * 数组中的真实元素个数,该值小于或等于elementData.length
    */
    private int size;
    /**
    * 修改次数
    */
    protected transient int modCount = 0;

    /**
    * 构造函数一:指定了容量的大小
    * @param initialCapacity
    */
    public ArrayList(int initialCapacity) {
    /**
    * 指定了多大容量就是多大容量
    */
    if (initialCapacity > 0) {
    this.elementData = new Object[initialCapacity];
    } else if (initialCapacity == 0) {//没有指定容量大小,则为空数组
    this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    } else {
    throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
    initialCapacity);
    }
    }

    /**
    * 构造函数二:默认空参构造函数
    */
    public ArrayList() {
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }

    /**
    * 构造函数三:传入集合参数的构造函数
    *
    * @param c the collection whose elements are to be placed into this list
    * @throws NullPointerException if the specified collection is null
    */
    public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
    elementData = ((ArrayList<?>) 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;
    }
    }
    2.3 常用方法

    往ArrayList中加入元素:add(E e)以及相关方法
    /**
    * Appends the specified element to the end of this list.
    *
    * @param e element to be appended to this list
    * @return <tt>true</tt> (as specified by {@link Collection#add})
    */
    public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
    elementData[size++] = e;
    return true;
    }
    private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    /**
    * 如果原来的空数组,则比较加入的个数与默认个数(10)比较,取较大值
    */
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
    minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }

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

    /**
    * 判断数组真实元素个数加1后的长度与当前数组长度大小关系,如果小于0,返回,如果大于0,则
    * 调用grow(minCapacity)方法
    */
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
    grow(minCapacity);
    }
    /**
    * Increases the capacity to ensure that it can hold at least the
    * number of elements specified by the minimum capacity argument.
    *
    * @param minCapacity the desired minimum capacity
    */
    private void grow(int minCapacity) {
    // overflow-conscious code
    int oldCapacity = elementData.length;
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);//容量变成原来的1.5倍
    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);
    }
    public static <T,U> T[] copyOf(U[] original, int newLength, Class<? extends T[]>
    newType) {
    @SuppressWarnings("unchecked")
    T[] copy = ((Object)newType == (Object)Object[].class)
    ? (T[]) new Object[newLength]
    : (T[]) Array.newInstance(newType.getComponentType(), newLength);
    System.arraycopy(original, 0, copy, 0,
    Math.min(original.length, newLength));
    return copy;
    }
    分析: 

    ensureCapacityInternal(size+1)方法,在该方法中首先判断了当前数组是否是空数组,如果是则比较加入的个数与默认个数(10)比较,取较大值,否则调用2方法。
    ensureExplicitCapacity(int minCapacity)方法,在该方法中首先是对modCount+1,判断数组真实元素个数加1后的长度与当前数组长度大小关系,如果小于0,返回,如果大于0,则调用3方法。
    grow(minCapacity)方法,使用 oldCapacity + (oldCapacity >> 1)是当前数组的长度变为原来的1.5倍,再与扩容后的长度以及扩容的上限值进行对比,然后调用4方法。
    Arrays.copyOf(elementData, newCapacity)方法,该方法的底层就是调用System.arraycopy(original, 0, copy, 0,
                             Math.min(original.length, newLength))方法,把旧数据的数据拷贝到扩容后的新数组里面,返回新数组
    然后再把新添加的元素赋值给扩容后的size+1的位置里面。
       往指定位置插入元素add(int idnex,E element)
    源码如下:

    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++;
    }
    从源码中可以看出,与add(E e)方法大致一致,主要的差异是增加了一行代码:System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index),从index位置开始以及之后的数据,整体拷贝到index+1开始的位置,然后再把新加入的数据放在index这个位置,而之前的数据不需要移动。(这些动作比较消耗性能)

    java.lang.System.arraycopy(Object src, int srcPos, Object dest, int destPos, int length),参数含义如下:

    (原数组,原数组的开始位置,目标数组,目标数组的开始位置,拷贝的个数)

    移除(根据下标移除和根据元素移除)
    源码如下:

    public E remove(int index) {
    rangeCheck(index);
    //记录修改的次数
    modCount++;
    E oldValue = elementData(index);
    //获取要移动元素的个数
    int numMoved = size - index - 1;
    if (numMoved > 0)
    System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
    numMoved);
    //把size-1的位置的元素赋值为null,方便GC回收
    elementData[--size] = null;


    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;
    }
    remove方法与add正好是一个相反的操作,移除一个元素,会影响到一批数字的位置移动,所以也是比较耗性能。核心代码都是调用了java.lang.System.arraycopy(Object src, int srcPos, Object dest, int destPos, int length)方法

    查询
    public E get(int index) {
    /**
    * 检查是否越界
    */
    rangeCheck(index);
    /**
    * 返回指定位置上的元素
    */
    return elementData(index);
    }
    // 位置访问操作

    @SuppressWarnings("unchecked")
    E elementData(int index) {
    return (E) elementData[index];
    }
    修改
    public E set(int index, E element) {
    /**
    * 检查是否越界
    */
    rangeCheck(index);
    /**
    * 获取旧的元素值
    */
    E oldValue = elementData(index);
    /**
    * 新元素赋值
    */
    elementData[index] = element;
    /**
    * 返回旧的元素值
    */
    return oldValue;
    }
    清空方法
    public void clear() {
    modCount++;

    // 将每个元素至为null,便于gc回收
    for (int i = 0; i < size; i++)
    elementData[i] = null;

    size = 0;
    }
     是否包含
    public boolean contains(Object o) {
    return indexOf(o) >= 0;
    }
    public int indexOf(Object o) {
    if (o == null) {
    for (int i = 0; i < size; i++)
    if (elementData[i]==null)
    return i;
    } else {
    for (int i = 0; i < size; i++)
    if (o.equals(elementData[i]))
    return i;
    }
    return -1;
    }
    该方法分两种情况:null值和非null的遍历,如果查询到就返回下标位置,否则就返回-1,然后与0比较,大于0就存在,小于0就不存在。

    三、总结

          基于数组实现的List在随机访问和遍历的效率比较高,但是往指定位置加入元素或者删除指定位置的元素效率比较低。
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