ArrayList源码分析

写在前面

本文是针对Java 1.8的源代码进行解析的，可能会和其他版本有所出入。

全局变量

1. 默认容量

private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

2. 空的对象数组

private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

3.默认的空数组

// 无参构造函数创建的数组
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

4.存放数据的数组的缓存变量，不可序列化

transient Object[] elementData;

5.数组的大小

private int size;

构造方法

1.带有容量initialCapacity的构造方法

源码解释：

public ArrayList(int initialCapacity) {
     // 如果初始化时ArrayList大小大于0
    if (initialCapacity > 0) {
          // new一个该大小的object数组赋给elementData
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
    } else if (initialCapacity == 0) { // 如果大小为0
          // 将空数组赋给elementData
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    } else { // 小于0
          // 则抛出IllegalArgumentException异常
        throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                           initialCapacity);
    }
}

2.不带参数的构造方法

源码解释：

public ArrayList() {
     // 直接将空数组赋给elementData
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

3.带参数Collection的构造方法

源码解释：
参数c为一个Collection，Collection的实现类大概有以下几种常用类型：

• List：元素可以重复的容器
• Set: 元素不可重复的容器
• Queue:结构是一个队列，先进先出

这个构造方法的意思是，将一个Collection实现类的对象转换为一个ArrayList，但是c容器装的内容必须为ArrayList装的内容的子类。例如，将一个装了String内容的HashSet转换为装了String内容的ArrayList，使得ArrayList的大小和值数组都是HashSet的大小和值数组。具体实现如下代码，首先调用c(Collection的具体实现类)的toArray方法，具体大家可以看各个实现类的toArray方法，但是大概意思都是将c容器转换为object类型的数组，因为它们的返回值都是object[]。之于下面的两个判断是当得到的elementData的类名不是Object类名的时候或者是长度为0的时候才会执行。

public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
    elementData = c.toArray();
    if ((size = elementData.length) != 0) {
        if (elementData.getClass() != Object[].class)
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
    } else {
        // replace with empty array.
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
}

方法

1.trimToSize()

说明：将ArrayList的容量设置为当前size的大小。首先需要明确一个概念，ArrayList的size就是ArrayList的元素个数，length是ArrayList申请的内容空间长度。ArrayList每次都会预申请多一点空间，以便添加元素的时候不需要每次都进行扩容操作，例如我们的元素个数是10个，它申请的内存空间必定会大于10，即length>size，而这个方法就是把ArrayList的内存空间设置为size，去除没有用到的null值空间。这也就是我们为什么每次在获取数据长度是都是调用list.size()而不是list.length()。

源码解释：首先modCount是从类 Java.util.AbstractList 继承的字段，这个字段主要是为了防止在多线程操作的情况下，List发生结构性的变化，什么意思呢？就是防止一个线程正在迭代，另外一个线程进行对List进行remove操作，这样当我们迭代到最后一个元素时，很明显此时List的最后一个元素为空，那么这时modCount就会告诉迭代器，让其抛出异常 ConcurrentModificationException。

如果没有这一个变量，那么系统肯定会报异常ArrayIndexOutOfBoundsException，这样的异常显然不是应该出现的(这些运行时错误都是使用者的逻辑错误导致的，我们的JDK那么高端，不会出现使用错误，我们只抛出使用者造成的错误，而这个错误是设计者应该考虑的)，为了避免出现这样的异常，定义了检查。
(引用自：郭无心，详情可以看他在知乎的回答：https://www.zhihu.com/question/24086463/answer/64717159)。

public void trimToSize() {
    modCount++;
     // 如果size小于length
    if (size < elementData.length) {
         // 重新将elementData设置大小为size
        elementData = (size == 0)
          ? EMPTY_ELEMENTDATA
          : Arrays.copyOf(elementData, size);
    }
}

2.size()

说明：返回ArrayList的大小
源码解释：直接返回size

public int size() {
    return size;
}

3.isEmpty()

说明：返回是否为空
源码解释： 直接返回判断size==0

public boolean isEmpty() {
    return size == 0;
}

4.indexOf(Object o)

说明：对象o在ArrayList中的下标位置，如果存在返回位置i，不存在返回-1
源码解释：遍历ArrayList的大小，比较o和容器内的元素，若相等，则返回位置i，若遍历完都不相等，返回-1

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;
}

5.contains(Object o)

说明：是否包含对象o
源码解释：调用indexOf()方法得到下标，存在则下标>=0，不存在为-1，即只要比较下标和0的大小即可。

public boolean contains(Object o) {
    return indexOf(o) >= 0;
}

6.lastIndexOf(Object o)

说明：返回容器内出现o的最后一个位置

源码解释：从后向前遍历，得到第一个出现对象o的位置，不存在则返回-1

public int lastIndexOf(Object o) {
    if (o == null) {
        for (int i = size-1; i >= 0; i--)
            if (elementData[i]==null)
                return i;
    } else {
        for (int i = size-1; i >= 0; i--)
            if (o.equals(elementData[i]))
                return i;
    }
    return -1;
}

7.clone()

说明：返回此 ArrayList 实例的浅表副本。

源码解释：

public Object clone() {
    try {
         // 调用父类(翻看源码可见是Object类)的clone方法得到一个ArrayList副本
        ArrayList<?> v = (ArrayList<?>) super.clone();
         // 调用Arrays类的copyOf，将ArrayList的elementData数组赋值给副本的elementData数组
        v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);
        v.modCount = 0;
         // 返回副本v
        return v;
    } catch (CloneNotSupportedException e) {
        throw new InternalError(e);
    }
 }

8.toArray()

说明：ArrayList 实例转换为。
源码解释：直接调用Arrays类的copyOf。

public Object[] toArray() {
    return Arrays.copyOf(elementData, size);
}

9.toArray(T[] a)

说明：将ArrayList里面的元素赋值到一个数组中去
源码解释：如果a的长度小于ArrayList的长度，直接调用Arrays类的copyOf，返回一个比a数组长度要大的新数组，里面元素就是ArrayList里面的元素；如果a的长度比ArrayList的长度大，那么就调用System.arraycopy，将ArrayList的elementData数组赋值到a数组，然后把a数组的size位置赋值为空。

public <T> T[] toArray(T[] a) {
    if (a.length < size)
        // Make a new array of a's runtime type, but my contents:
        return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass());
    System.arraycopy(elementData, 0, a, 0, size);
    if (a.length > size)
        a[size] = null;
    return a;
 }

10.rangeCheck(int index)

说明：测试index是否越界
源码解释：

private void rangeCheck(int index) {
     // 如果下标超过ArrayList的数组长度
    if (index >= size)
         // 抛出IndexOutOfBoundsException异常
        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}

11.get(int index)

说明：获取index位置的元素
源码解释：先检查是否越界，然后返回ArrayList的elementData数组index位置的元素。

public E get(int index) {
     // 检查是否越界
    rangeCheck(index);
     // 返回ArrayList的elementData数组index位置的元素
    return elementData(index);
}

12.set(int index, E element)

说明：设置index位置的元素值了element，返回该位置的之前的值
源码解释：

public E set(int index, E element) {
     // 检查是否越界
    rangeCheck(index);
     // 调用elementData(index)获取到当前位置的值
    E oldValue = elementData(index);
     // 将element赋值到ArrayList的elementData数组的第index位置
    elementData[index] = element;
    return oldValue;
}

13.ensureCapacityInternal(int minCapacity)

说明：得到最小扩容量
源码解释：

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
         // 获取默认的容量和传入参数的较大值
        minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}

14.ensureExplicitCapacity(int minCapacity)

说明：判断是否需要扩容
源码解释：

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;
    // 如果最小需要空间比elementData的内存空间要大，则需要扩容
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);
}

15.grow()方法

说明：帮助ArrayList动态扩容的核心方法
源码解释：

// MAX_VALUE为231-1，MAX_ARRAY_SIZE 就是获取Java中int的最大限制，以防止越界
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;


private void grow(int minCapacity) {
    // 获取到ArrayList中elementData数组的内存空间长度
    int oldCapacity = elementData.length;
    // 扩容至原来的1.5倍
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    // 再判断一下新数组的容量够不够，够了就直接使用这个长度创建新数组，
    // 不够就将数组长度设置为需要的长度
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    // 判断有没超过最大限制
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    // 调用Arrays.copyOf方法将elementData数组指向新的内存空间时newCapacity的连续空间
    // 并将elementData的数据复制到新的内存空间
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

16.add(E e)

说明：添加元素e
源码解释：

public boolean add(E e) {
     // 扩容
    ensureCapacityInternal(size + 1);
    // 将e赋值给elementData的size+1的位置。
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

17.add(int index, E element)

说明：在ArrayList的index位置，添加元素element
源码解释:

public void add(int index, E element) {
    // 判断index是否越界
    rangeCheckForAdd(index);
     // 扩容
    ensureCapacityInternal(size + 1);
     // 将elementData从index位置开始，复制到elementData的index+1开始的连续空间
    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                     size - index);
     // 在elementData的index位置赋值element
    elementData[index] = element;
     // ArrayList的大小加一
    size++;
}

18.remove(int index)

说明：在ArrayList的移除index位置的元素
源码解释：

public E remove(int index) {
     // 判断是否越界
    rangeCheck(index);
    modCount++;
     // 读取旧值
    E oldValue = elementData(index);
     // 获取index位置开始到最后一个位置的个数
    int numMoved = size - index - 1;
    if (numMoved > 0)
         // 将elementData数组index+1位置开始拷贝到elementData从index开始的空间
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                         numMoved);
     // 使size-1 ，设置elementData的size位置为空，让GC来清理内存空间
    elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
    return oldValue;
}

19.remove(Object o)

说明：在ArrayList的移除对象为O的元素，跟indexOf方法思想基本一致
源码解释：

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;
}

20.clear()

说明：设置全部元素为null值，并设置size为0。
源码解释：可见clear操作并不是从空间内删除，只是设置为null值，等待垃圾回收机制来回收而已，把size设置为0，以便我们不会浏览到null值的内存空间。

public void clear() {
    modCount++;
    // clear to let GC do its work
    for (int i = 0; i < size; i++)
        elementData[i] = null;
    size = 0;
}

21.addAll(Collection<? extends E> c)

说明：将Collection c的全部元素添加到ArrayList中
源码解释：

public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
     // 将c转换为数组a
    Object[] a = c.toArray();
     // 获取a占的内存空间长度赋值给numNew
    int numNew = a.length;
     // 扩容至size + numNew
    ensureCapacityInternal(size + numNew);  // Increments modCount
     // 将a的第0位开始拷贝至elementData的size位开始，拷贝长度为numNew
    System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
     // 将size增加numNew
    size += numNew;
     // 如果c为空，返回false，c不为空，返回true
    return numNew != 0;
}

22.addAll(int index, Collection<? extends E> c)

说明：从第index位开始，将c全部拷贝到ArrayList
源码解释：

public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
     // 判断index大于size或者是小于0,如果是，则抛出IndexOutOfBoundsException异常
    rangeCheckForAdd(index);
     // 将c转换为数组a
    Object[] a = c.toArray();
    int numNew = a.length;
     // 扩容至size + numNew
    ensureCapacityInternal(size + numNew);  // Increments modCount
      // 获取需要添加的个数
    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;
}

24.batchRemove(Collection<?> c, boolean complement)

说明：根据complement值，将ArrayList中包含c中元素的元素删除或者保留
源码解释：

private boolean batchRemove(Collection<?> c, boolean complement) {
    final Object[] elementData = this.elementData;
     // 定义一个w，一个r，两个同时右移
    int r = 0, w = 0;
    boolean modified = false;
    try {
         // r先右移
        for (; r < size; r++)
              // 如果c中不包含elementData[r]这个元素
            if (c.contains(elementData[r]) == complement)
                  // 则直接将r位置的元素赋值给w位置的元素，w自增
                elementData[w++] = elementData[r];
    } finally {
        // 防止抛出异常导致上面r的右移过程没完成
        if (r != size) {
              // 将r未右移完成的位置的元素赋值给w右边位置的元素
            System.arraycopy(elementData, r,
                             elementData, w,
                             size - r);
              // 修改w值增加size-r
            w += size - r;
        }
        if (w != size) {
            // 如果有被覆盖掉的元素，则将w后面的元素都赋值为null
            for (int i = w; i < size; i++)
                elementData[i] = null;
            modCount += size - w;
              // 修改size为w
            size = w;
            modified = true;
        }
    }
    return modified;
}

25.removeAll(Collection<?> c)

说明：ArrayList移除c中的所有元素
源码解释：

public boolean removeAll(Collection<?> c) {
     // 如果c为空，则抛出空指针异常
    Objects.requireNonNull(c);
     // 调用batchRemove移除c中的元素
    return batchRemove(c, false);
}

26.retainAll(Collection<?> c)

说明：和removeAll相反，仅保留c中所有的元素

源码解释：

public boolean retainAll(Collection<?> c) {
    Objects.requireNonNull(c);
     // 调用batchRemove保留c中的元素
    return batchRemove(c, true);
}

27.iterator()

说明：返回一个Iterator对象，Itr为ArrayList的一个内部类，其实现了Iterator<E>接口

代码解释：

public Iterator<E> iterator() {
    return new Itr();
}

28.listIterator()

说明：返回一个ListIterator对象，ListItr为ArrayList的一个内部类，其实现了ListIterator<E> 接口
源码解释：

public ListIterator<E> listIterator() {
    return new ListItr(0);
}

29.listIterator(int index)

说明：返回一个从index开始的ListIterator对象
源码解释：

public ListIterator<E> listIterator(int index) {
    if (index < 0 || index > size)
        throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index);
    return new ListItr(index);
}

30.subList(int fromIndex, int toIndex)

说明：根据两个参数，获取到一个子序列
源码解释：

public List<E> subList(int fromIndex, int toIndex) {
     // 检查异常
    subListRangeCheck(fromIndex, toIndex, size);
     // 调用SubList类的构造方法
    return new SubList(this, 0, fromIndex, toIndex);
}

内部类

(1)private class Itr implements Iterator<E>
(2)private class ListItr extends Itr implements ListIterator<E>
(3)private class SubList extends AbstractList<E> implements RandomAccess
(4)static final class ArrayListSpliterator<E> implements Spliterator<E>

ArrayList有四个内部类，

其中的Itr是实现了Iterator接口，同时重写了里面的hasNext()，next()，remove()等方法；

其中的ListItr继承Itr，实现了ListIterator接口，同时重写了hasPrevious()，nextIndex()，

previousIndex()，previous()，set(E e)，add(E e)等方法，所以这也可以看出了Iterator和ListIterator的区别，就是ListIterator在Iterator的基础上增加了添加对象，修改对象，逆向遍历等方法，这些是Iterator不能实现的。具体可以参考http://blog.csdn.net/a597926661/article/details/7679765。

其中的SubList继承AbstractList，实现了RandmAccess接口，类内部实现了对子序列的增删改查等方法，但它同时也充分利用了内部类的优点，就是共享ArrayList的全局变量，例如检查器变量modCount，数组elementData等，所以SubList进行的增删改查操作都是对ArrayList的数组进行的，并没有创建新的数组。

最后一个比较个人比较少接触，大家需要自行度娘。

End

笔者技术真的是一般般，写这个为了加深理解的同时给害怕看源代码的朋友一点鼓励，所以笔者在写的过程中有查阅很多资料来努力减少错误，但是如有错漏之处，希望大神们指出，我会第一时间修改，以免误人子弟，也希望和笔者一样基础不够好的朋友不要畏惧看源码，源码看起来并不会很难，而且多看源代码会对Java更深刻的理解。