Java源码分析之ArrayList

ArrayList是以数组为基准的容器类，和LinkedList(链表)正好相反。因而ArrayList拥有更好的查找性能，增删操作则差一些。ArrayList封装了对于常规数组的操作，同时可以自动扩展容量。

下面对ArrayList的API进行归类：

1、构造函数：

①ArrayList()　　以空数组进行构造　　

②ArrayList(int)　以指定大小的容量初始化数组

③ArrayList(Collection)　　以指定集合构造ArrayList的数组元素

2、增加元素：

①boolean add(E)　　在数组末尾加入指定元素

②void add(int,E)　　在第一个参数指定的索引处插入元素，后面所有元素后移一个位置

③boolean addAll(Collection)　　在数组末尾加入集合的所有元素

④boolean addAll(int,Collection) 在指定索引处加入集合所有元素

3、删除元素：

①E remove(int)　　移除索引处元素，之后的所有元素前移一位

②boolean remove(Object)　　查找到指定元素，删除之，未删除成功false

③void removeRange(int,int)　删除指定区间的所有元素，删除第一个索引处，但不删除最后一个索引处

④void clear()　　删除所有元素

4、更改元素：

　set(int,Object)　　将指定索引处的值修改为指定的值

5、查找：

①E get(int)　　返回指定索引处的元素

②boolean contains(Object)　　确定是否包含该元素

③int indexOf(Object)　　从前往后查找指定元素的索引，找不到返回-1

④int lastIndexOf(Object)　　从后往前查找元素索引，找不到返回-1

⑤int size()　　返回包含的元素个数

⑥boolean isEmpty()　　确定数组是否为空

6、其他操作：

①Object[] toArray()　　返回Object数组，每个Object对应ArrayList的一个元素

②T[] toArray(T[])　　返回T类型数组，每个T对应ArrayList的一个实际类型的元素

③void trimToSize()　　删除数组最后冗余的值为null的元素

④void ensureCapacity(int)　　使数组容量扩充为指定的容量

⑤Object clone()　　　　复制一个除了内存地址其他信息完全一样的ArrayList

接下来进行源码解析

一、ArrayList包含的成员变量和常量：

transient Object[] array;    //ArrayList的核心，所有操作都围绕它展开，ArrayList类似于数组的包装类
int size;    //数组包含的实际元素个数，不是数组容量，为了满足添加元素时数组不必多次扩容，必须预先将容量设定为某个略大些的值。这样就不能用array.length得到元素个数了

二、构造函数3种

    //不给参数，用空数组初始
    public ArrayList() {
        array = EmptyArray.OBJECT;
    }

　　//用一个已有的容器对象初始化数组
　　public ArrayList(Collection<? extends E> collection) {
        if (collection == null) {
            throw new NullPointerException("collection == null");
        }

        Object[] a = collection.toArray();
        if (a.getClass() != Object[].class) {//这个过程看不懂
            Object[] newArray = new Object[a.length];
            System.arraycopy(a, 0, newArray, 0, a.length);    //数组复制操作
            a = newArray;
        }
        array = a;
        size = a.length;
    }

   //用指定初始容量初始化数组，当容量可以确定的时候用这个方法可以避免多次更改数组大小，提高性能
    public ArrayList(int capacity) {
        if (capacity < 0) {
            throw new IllegalArgumentException("capacity < 0: " + capacity);
        }
        array = (capacity == 0 ? EmptyArray.OBJECT : new Object[capacity]);
    }

  三、增加元素

　　这应该是ArrayList中最复杂的操作了，因为涉及到容量扩充的操作，也是ArrayList和数组最大的区别——自动扩容。但是因为涉及到重新分配内存空间和数组整个复制，多次扩容会影响性能

　

    @Override 
    public boolean add(E object) {
        Object[] a = array;        //用一个代表，减少书写量
        int s = size;
        if (s == a.length) {    //数组已满，必须先扩容
        //注意这边的扩容策略，必须先开辟一片更大的内存空间，再执行数组复制操作
       //具体新数组取多大，如果当前容量小于最小容量增长值的一半，则按这个值增长；否则即原来容量足够大，在原来容量基础上增加一半
            Object[] newArray = new Object[s +
                    (s < (MIN_CAPACITY_INCREMENT / 2) ?
                     MIN_CAPACITY_INCREMENT : s >> 1)];
            System.arraycopy(a, 0, newArray, 0, s);  //数组复制操作
            array = a = newArray;
        }
        a[s] = object;    //现在容量足够了，在新数组末尾直接加上这个新元素
        size = s + 1;    //别忘了现在元素个数加了一个，必须保持同步
        modCount++;  //修改次数加1
        return true;
    }

    //对上面的扩容操作进行了抽象，可能因为上面的操作更频繁，所以直接把扩容操作写在代码里面以提高性能吧
    private static int newCapacity(int currentCapacity) {
        int increment = (currentCapacity < (MIN_CAPACITY_INCREMENT / 2) ?
                MIN_CAPACITY_INCREMENT : currentCapacity >> 1);
        return currentCapacity + increment;
    }
    
    //在指定位置插入，除了数组复制操作的范围不同，其他都一样
    @Override 
    public void add(int index, E object) {
        Object[] a = array;
        int s = size;
        if (index > s || index < 0) {
            throwIndexOutOfBoundsException(index, s);
        }

        if (s < a.length) {
            System.arraycopy(a, index, a, index + 1, s - index);
        } else {
            // assert s == a.length;
            Object[] newArray = new Object[newCapacity(s)];
            System.arraycopy(a, 0, newArray, 0, index);
            System.arraycopy(a, index, newArray, index + 1, s - index);
            array = a = newArray;
        }
        a[index] = object;
        size = s + 1;
        modCount++;
    }

四、删除元素

    //这里数组相比链表的劣势就很明显了，删除指定位置的值很简单，但是为了保持后面操作的稳定性，必须将之后的所有值前移一个位置，需要O(n)的时间，而链表只要O(1)。
    //这里得到一个很重要的启示：如果要移除多个连续的元素，用for循环配合这个方法会非常损耗性能，应该用下面的removeRange方法
    @Override 
    public E remove(int index) {
        Object[] a = array;
        int s = size;
        if (index >= s) {
            throwIndexOutOfBoundsException(index, s);
        }
        @SuppressWarnings("unchecked")
        E result = (E) a[index];   //因为每个元素都是Object类型，必须强转
        System.arraycopy(a, index + 1, a, index, --s - index);
        a[s] = null;  // 防止内存占用过多，不用的值置为null，给系统及时回收
        size = s;
        modCount++;
        return result;
    }

   //移除连续区间的元素，只需执行一次arrayCopy操作
   @Override protected void removeRange(int fromIndex, int toIndex) {
        if (fromIndex == toIndex) {
            return;
        }
        Object[] a = array;
        int s = size;
        if (fromIndex >= s) {
            throw new IndexOutOfBoundsException("fromIndex " + fromIndex
                    + " >= size " + size);
        }
        if (toIndex > s) {
            throw new IndexOutOfBoundsException("toIndex " + toIndex
                    + " > size " + size);
        }
        if (fromIndex > toIndex) {
            throw new IndexOutOfBoundsException("fromIndex " + fromIndex
                    + " > toIndex " + toIndex);
        }

        System.arraycopy(a, toIndex, a, fromIndex, s - toIndex);
        int rangeSize = toIndex - fromIndex;
        Arrays.fill(a, s - rangeSize, s, null);   //不用的索引处全部置null
        size = s - rangeSize;
        modCount++;
    }

    //需要依次对每一个元素进行比较，性能也不好
    //可以看出这个方法只会删除第一个出现的元素，如果存在equals比较后相同的元素，还有遗留
    @Override 
    public boolean remove(Object object) {
        Object[] a = array;
        int s = size;
        if (object != null) {
            for (int i = 0; i < s; i++) {
                if (object.equals(a[i])) {
                    System.arraycopy(a, i + 1, a, i, --s - i);
                    a[s] = null;  // Prevent memory leak
                    size = s;
                    modCount++;
                    return true;
                }
            }
        } else {
            for (int i = 0; i < s; i++) {
                if (a[i] == null) {
                    System.arraycopy(a, i + 1, a, i, --s - i);
                    a[s] = null;  // Prevent memory leak
                    size = s;
                    modCount++;
                    return true;
                }
            }
        }
        return false;
    }
  

    //这里可以看出是通过将每个元素依次置为null，也需要O(n)时间；并不改变数组容量
    @Override 
    public void clear() {
        if (size != 0) {
            Arrays.fill(array, 0, size, null);
            size = 0;
            modCount++;
        }
    }

 五、修改元素值

    //修改元素值很简单，跟数组操作一样，只要O(1)时间就能完成，同时返回被修改的旧值
    @Override 
    public E set(int index, E object) {
        Object[] a = array;
        if (index >= size) {
            throwIndexOutOfBoundsException(index, size);
        }
        @SuppressWarnings("unchecked") 
        E result = (E) a[index];
        a[index] = object;
        return result;
    }    

六、查找操作

    //查找操作是ArrayList最大的优势，因为数组在内存中占用连续的存储区域，只要O(1)时间就能找到指定索引所对应的值
    @SuppressWarnings("unchecked") 
    @Override 
    public E get(int index) {
        if (index >= size) {
            throwIndexOutOfBoundsException(index, size);
        }
        return (E) array[index];
    }

七、其他操作

　　关于ArrayList向数组转换（其实是返回ArrayList的成员数组的拷贝）

    /*这两个方法经常会搞混，包括我初学的时候也不知道是怎么回事。第一种方法貌似很简单，但是因为返回的是Object数组，后续如果要对这个返回的数组操作一般要转换为具体的类型，就还要对该数组的每个元素都强转一次。
而第二个方法传入一个给定的数组，这个数组是指定了具体的类型的，因而返回后这个数组可以直接用。通常传入一个空数组 new T[]{}即可。
    */
    @Override 
    public Object[] toArray() {
        int s = size;
        Object[] result = new Object[s];
        System.arraycopy(array, 0, result, 0, s);
        return result;
    }

    /*这里有一点让我不明白，为什么泛型要选择T而不是E？如果T和E不一致，arraycopy操作会成功吗？*/
    @Override 
    public <T> T[] toArray(T[] contents) {
        int s = size;
        if (contents.length < s) {  //如果提供的数组不够放，重新开辟内存
            @SuppressWarnings("unchecked") 
            T[] newArray
                = (T[]) Array.newInstance(contents.getClass().getComponentType(), s);
            contents = newArray;
        }
        System.arraycopy(this.array, 0, contents, 0, s);
        if (contents.length > s) {
            contents[s] = null;    //这里也让我不明白，为什么只把s处置为null，s以后的不也应该置为null吗？
        }
        return contents;
    }