集合框架系列（一）ArrayList源码分析

目录

1 概述

2 源码分析

　2.1 构造方法

　2.2 插入

　2.3 删除

　2.4 遍历

3 其他细节

　3.1 快速失败机制

　3.2 关于遍历时删除

 

1 概述

ArrayList 是一种变长的集合类，基于定长数组实现。ArrayList 允许空值和重复元素，当往 ArrayList 中添加的元素数量大于其底层数组容量时，其会通过扩容机制重新生成一个更大的数组。另外，由于 ArrayList 底层基于数组实现，所以其可以保证在 O(1) 复杂度下完成随机查找操作。其他方面，ArrayList 是非线程安全类，并发环境下，多个线程同时操作ArrayList，会引发不可预知的错误。

ArrayList 是大家最为常用的集合类，作为一个变长集合类，其核心是扩容机制。所以只要知道它是怎么扩容的，以及基本的操作是怎样实现就够了。本文后续内容也将围绕这些点展开叙述。

补充：RandomAccess接口

public interface RandomAccess {
}

查看源码我们发现实际上 RandomAccess 接口中什么都没有定义。所以，在我看来 RandomAccess 接口不过是一个标识罢了。标识什么？ 标识实现这个接口的类具有随机访问功能。

ArrayList 实现了 RandomAccess 接口， 而 LinkedList 没有实现。为什么呢？我觉得还是和底层数据结构有关！ArrayList 底层是数组，而 LinkedList 底层是链表。数组天然支持随机访问，时间复杂度为 O(1)，所以称为快速随机访问。链表需要遍历到特定位置才能访问特定位置的元素，时间复杂度为 O(n)，所以不支持快速随机访问。，ArrayList 实现了 RandomAccess 接口，就表明了他具有快速随机访问功能。 RandomAccess 接口只是标识，并不是说 ArrayList 实现 RandomAccess 接口才具有快速随机访问功能的！

下面再总结一下 list 的遍历方式选择：

• 实现了 RandomAccess 接口的list，优先选择普通 for 循环 ，其次 foreach,
• 未实现 RandomAccess接口的list，优先选择iterator遍历（foreach遍历底层也是通过iterator实现的），大size的数据，千万不要使用普通for循环

2 源码分析

2.1 构造方法

ArrayList 有三个构造方法，一个是无参，一个需传入初始容量值，一个根据集合列表构造。大家平时最常用的是无参构造方法，相关代码如下：

  /**
     * 默认初始容量大小
     */
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
    

    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

    /**
     *默认构造函数，使用初始容量10构造一个空列表(无参数构造)
     */
    public ArrayList() {
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
    
    /**
     * 带初始容量参数的构造函数。（用户自己指定容量）
     */
    public ArrayList(int initialCapacity) {
        if (initialCapacity > 0) {//初始容量大于0
            //创建initialCapacity大小的数组
            this.elementData = new Object[initialCapacity];
        } else if (initialCapacity == 0) {//初始容量等于0
            //创建空数组
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        } else {//初始容量小于0，抛出异常
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                               initialCapacity);
        }
    }


   /**
    *构造包含指定collection元素的列表，这些元素利用该集合的迭代器按顺序返回
    *如果指定的集合为null，throws NullPointerException。 
    */
     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;
        }
    }

上面的代码比较简单，两个构造方法做的事情并不复杂，目的都是初始化底层数组 elementData。区别在于无参构造方法会将 elementData 初始化一个空数组，插入元素时，扩容将会按默认值重新初始化数组（延迟加载）。而有参的构造方法则会将 elementData 初始化为参数值大小（>= 0）的数组。一般情况下，我们用默认的构造方法即可。倘若在可知道将会向 ArrayList 插入多少元素的情况下，应该使用有参构造方法。按需分配，避免浪费。

 2.2 插入

对于数组（线性表）结构，插入操作分为两种情况。一种是在元素序列尾部插入，另一种是在元素序列其他位置插入。ArrayList 的源码里也体现了这两种插入情况，如下：

/** 在元素序列尾部插入 */
public boolean add(E e) {
    // 1. 检测是否需要扩容
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    // 2. 将新元素插入序列尾部
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

/** 在元素序列 index 位置处插入 */
public void add(int index, E element) {
    rangeCheckForAdd(index);

    // 1. 检测是否需要扩容
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    // 2. 将 index 及其之后的所有元素都向后移一位
    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                     size - index);
    // 3. 将新元素插入至 index 处
    elementData[index] = element;
    size++;
}

对于在元素序列尾部插入，这种情况比较简单，只需两个步骤即可：（1）检测数组是否有足够的空间插入；（2）将新元素插入至序列尾部

如果是在元素序列指定位置（假设该位置合理）插入，则情况稍微复杂一点，需要三个步骤：

1. 检测数组是否有足够的空间
2. 将 index 及其之后的所有元素向后移一位
3. 将新元素插入至 index 处

 从上图可以看出，将新元素插入至序列指定位置，需要先将该位置及其之后的元素都向后移动一位，为新元素腾出位置。这个操作的时间复杂度为O(N)，频繁移动元素可能会导致效率问题，特别是集合中元素数量较多时。在日常开发中，若非所需，我们应当尽量避免在大集合中调用第二个插入方法。

以上是 ArrayList 插入相关的分析，上面的分析以及配图均未体现扩容机制。那么下面就来简单分析一下 ArrayList 的扩容机制。对于变长数据结构，当结构中没有空余空间可供使用时，就需要进行扩容。在 ArrayList 中，当空间用完，其会按照原数组空间的1.5倍进行扩容。相关源码如下：

/** 计算最小容量 */
private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    return minCapacity;
}

/** 扩容的入口方法 */
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);
}

/** 扩容的核心方法 */
private void grow(int minCapacity) {
    // overflow-conscious code
    int oldCapacity = elementData.length;
    // newCapacity = oldCapacity + oldCapacity / 2 = oldCapacity * 1.5
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    // 扩容
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
    if (minCapacity < 0) // overflow
        throw new OutOfMemoryError();
    // 如果最小容量超过 MAX_ARRAY_SIZE，则将数组容量扩容至 Integer.MAX_VALUE
    return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
        Integer.MAX_VALUE :
        MAX_ARRAY_SIZE;
}

上面就是扩容的逻辑，代码虽多，但很多都是边界检查，这里就不详细分析了。

2.3 删除

不同于插入操作，ArrayList 没有无参删除方法。所以其只能删除指定位置的元素或删除指定元素，这样就无法避免移动元素（除非从元素序列的尾部删除）。相关代码如下：

/** 删除指定位置的元素 */
public E remove(int index) {
    rangeCheck(index);

    modCount++;
    // 返回被删除的元素值
    E oldValue = elementData(index);

    int numMoved = size - index - 1;
    if (numMoved > 0)
        // 将 index + 1 及之后的元素向前移动一位，覆盖被删除值
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                         numMoved);
    // 将最后一个元素置空，并将 size 值减1                
    elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work

    return oldValue;
}

E elementData(int index) {
    return (E) elementData[index];
}

/** 删除指定元素，若元素重复，则只删除下标最小的元素 */
public boolean remove(Object o) {
    if (o == null) {
        for (int index = 0; index < size; index++)
            if (elementData[index] == null) {
                fastRemove(index);
                return true;
            }
    } else {
        // 遍历数组，查找要删除元素的位置
        for (int index = 0; index < size; index++)
            if (o.equals(elementData[index])) {
                fastRemove(index);
                return true;
            }
    }
    return false;
}

/** 快速删除，不做边界检查，也不返回删除的元素值 */
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
}

上面的删除方法并不复杂，这里以第一个删除方法为例，删除一个元素步骤如下：

1. 获取指定位置 index 处的元素值
2. 将 index + 1 及之后的元素向前移动一位
3. 将最后一个元素置空，并将 size 值减 1
4. 返回被删除值，完成删除操作

现在，考虑这样一种情况。我们往 ArrayList 插入大量元素后，又删除很多元素，此时底层数组会空闲处大量的空间。因为 ArrayList 没有自动缩容机制，导致底层数组大量的空闲空间不能被释放，造成浪费。对于这种情况，ArrayList 也提供了相应的处理方法，如下：

/** 将数组容量缩小至元素数量 */
public void trimToSize() {
    modCount++;
    if (size < elementData.length) {
        elementData = (size == 0)
          ? EMPTY_ELEMENTDATA
          : Arrays.copyOf(elementData, size);
    }
}

2.4 遍历

ArrayList支持两种查找方法，根据索引查找、判断是否包含元素。

根据索引查找

E elementData(int index) { //这个方法没有检查范围，因为在其他方法调用前已经检查过了
    return (E) elementData[index];
}

public E get(int index) {
    rangeCheck(index); //检查索引范围

    return elementData(index);
}

判断是否包含元素

//判断集合中是否包含元素
public boolean contains(Object o) {
    return indexOf(o) >= 0;
}

//获取元素对应的索引，当有重复元素时返回的是第一个相同的元素
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;
}

ArrayList 实现了 RandomAccess 接口（该接口是个标志性接口），表明它具有随机访问的能力。ArrayList 底层基于数组实现，所以它可在常数阶的时间内完成随机访问，效率很高。对 ArrayList 进行遍历时，一般情况下，我们喜欢使用 foreach 循环遍历，但这并不是推荐的遍历方式。ArrayList 具有随机访问的能力，如果在一些效率要求比较高的场景下，更推荐下面这种方式：

for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
    list.get(i);
}

至于原因也不难理解，foreach 最终会被转换成迭代器遍历的形式，效率不如上面的遍历方式。

3.其他细节

3.1 快速失败机制

 在 Java 集合框架中，很多类都实现了快速失败机制。该机制被触发时，会抛出并发修改异常ConcurrentModificationException，这个异常大家在平时开发中多多少少应该都碰到过。关于快速失败机制，ArrayList 的注释里对此做了解释：ArrayList 迭代器中的方法都是均具有快速失败的特性，当遇到并发修改的情况时，迭代器会快速失败，以避免程序在将来不确定的时间里出现不确定的行为。

3.2 关于遍历时删除

 遍历时删除是一个不正确的操作，即使有时候代码不出现异常，但执行逻辑也会出现问题。关于这个问题，阿里巴巴 Java 开发手册里也有所提及。这里引用一下：

【强制】不要在 foreach 循环里进行元素的 remove/add 操作。remove 元素请使用 Iterator 方式，如果并发操作，需要对 Iterator 对象加锁。

相关代码（稍作修改）如下：

List<String> a = new ArrayList<String>();
    a.add("1");
    a.add("2");
    for (String temp : a) {
        System.out.println(temp);
        if("1".equals(temp)){
            a.remove(temp);
        }
    }
}

相信有些朋友应该看过这个，并且也执行过上面的程序。上面的程序执行起来不会虽不会出现异常，但代码执行逻辑上却有问题，只不过这个问题隐藏的比较深。我们把 temp 变量打印出来，会发现只打印了数字1，2没打印出来。初看这个执行结果确实很让人诧异，不明原因。如果死抠上面的代码，我们很难找出原因，此时需要稍微转换一下思路。我们都知道 Java 中的 foreach 是个语法糖，编译成字节码后会被转成用迭代器遍历的方式。所以我们可以把上面的代码转换一下，等价于下面形式：

List<String> a = new ArrayList<>();
a.add("1");
a.add("2");
Iterator<String> it = a.iterator();
while (it.hasNext()) {
    String temp = it.next();
    System.out.println("temp: " + temp);
    if("1".equals(temp)){
        a.remove(temp);
    }
}

这个时候，我们再去分析一下 ArrayList 的迭代器源码就能找出原因。

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;

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

    @SuppressWarnings("unchecked")
    public E next() {
        // 并发修改检测，检测不通过则抛出异常
        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];
    }
    
    final void checkForComodification() {
        if (modCount != expectedModCount)
            throw new ConcurrentModificationException();
    }
    
    // 省略不相关的代码
}

我们一步一步执行一下上面的代码，第一次进入 while 循环时，一切正常，元素 1 也被删除了。但删除元素 1 后，就无法再进入 while 循环，此时 it.hasNext() 为 false。原因是删除元素 1 后，元素计数器 size = 1，而迭代器中的 cursor 也等于 1，从而导致 it.hasNext() 返回false。归根结底，上面的代码段没抛异常的原因是，循环提前结束，导致 next 方法没有机会抛异常。不信的话，大家可以把代码稍微修改一下，即可发现问题：

List<String> a = new ArrayList<>();
a.add("1");
a.add("2");
a.add("3");
Iterator<String> it = a.iterator();
while (it.hasNext()) {
    String temp = it.next();
    System.out.println("temp: " + temp);
    if("1".equals(temp)){
        a.remove(temp);
    }
}

以上是关于遍历时删除的分析，在日常开发中，我们要避免上面的做法。正确的做法使用迭代器提供的删除方法，而不是直接删除

List<String> a = new ArrayList<String>();
a.add("1");
a.add("2");
a.add("3");
Iterator<String> it = a.iterator();
while (it.hasNext()) {
    String temp = it.next();
    System.out.println("temp: " + temp);
    if("1".equals(temp)){
        //使用迭代器的remove
        it.remove();
    }
}

 

 

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