集合系列 List（二）：ArrayList

ArrayList 是 List 集合的列表经典实现，其底层采用定长数组实现，可以根据集合大小进行自动扩容。

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>

        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable

原理

为了深入理解 ArrayList 的原理，我们将从类成员变量、构造方法、核心方法两个方面逐一介绍。

类成员变量

// 默认初始化大小

private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

// 空列表数据。初始化时如果没有指定大小，则将此值赋予elementData

private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

// 默认空列表数据。如果没有指定大小，那么将此值赋予elementData

private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

// 列表数据

transient Object[] elementData;

// 列表大小

private int size;

构造方法

ArrayList 一共有 3 个构造方法：

// 空构造方法

public ArrayList() {

    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;

}

// 指定大小

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);

    }

}

// 指定初始集合

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;

    }

}

从第一个构造方法可以看到，如果没有指定大小，那么就将 elementData 赋值为 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA。而从第二个构造方法可以看到，如果指定了大小为 0，那么就将 elementData 赋值为 EMPTY_ELEMENTDATA。

核心方法

在 ArrayList 中最为核心的是获取、插入、删除、扩容这几个方法。

获取

获取的源码非常简单，只需对 index 做有效性校验。如果参数合法，那么直接返回对应数组下标的数据。

public E get(int index) {

    rangeCheck(index);

    return elementData(index);

}

插入

插入一共有两种实现方式，第一种是直接插入列表尾部，另一种是插入某个位置。

// 直接插入尾部

public boolean add(E e) {

    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!

    elementData[size++] = e;

    return true;

}

// 插入某个位置

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++;

}

如果是直接插入尾部的话，那么只需调用 ensureCapacityInternal 方法做容量检测。如果空间足够，那么就插入，空间不够就扩容后插入。

如果是插入的是某个位置，那么就需要将 index 之后的所有元素后移以为，之后再将元素插入至 index 处。

删除

ArrayList 的删除方法有两个，分别是：

删除某个位置的元素：remove(int index)
删除某个具体的元素：remove(Object o)

我们先来看第一个删除方法：删除某个位置的元素。

// 删除某个位置的元素

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;

}

上述代码的逻辑大致是这样的：首先做参数范围检查，接着将 index 位置后的所有元素都往前挪一位，最后减少列表大小。

我们继续看第二个删除方法：删除某个特定的元素。

public boolean remove(Object o) {

    if (o == null) {

        for (int index = 0; index < size; index++)

            if (elementData[index] == null) {

                fastRemove(index);

                return true;

            }

    } else {

        for (int index = 0; index < size; index++)

            if (o.equals(elementData[index])) {

                fastRemove(index);

                return true;

            }

    }

    return false;

}

上述代码的逻辑大致是：首先，遍历列表的所有元素，找到需要删除的元素索引，最后调用 fastRemove 方法删除该元素。我们继续看看 fastRemove 方法的实现。

/*

 * 用私有的方法 fastRemove 方法跳过边界检查，不返回删除值。

 */

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

}

这里会有一个疑问，那就是为什么不直接复用 remove(int index) 方法，而要新写一个方法呢？答案在 fastRemove 方法的注释中已经写了，就是为了跳过边界检查，提高效率。

扩容

扩容是 ArrayList 的核心方法，当插入的时候容量不足，便会触发扩容。我们可以看到在插入的两个方法中都调用了扩容方法——ensureCapacityInternal。

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {

    ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));

}

ensureCapacityInternal 方法直接调用 ensureExplicitCapacity 实现。

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {

    modCount++;

    // overflow-conscious code

    if (minCapacity - elementData.length > 0)

        grow(minCapacity);

}

ensureExplicitCapacity 方法首先判断容量是否足够，如果不够就调用 grow 方法扩容。

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);

}

grow 方法的大致逻辑为：将原有列表容量扩大为原来的 1.5 倍。如果还是不够，那么直接扩大为最小容量（minCapacity）。

总结

经过上面的分析，我们可以知道 ArrayList 有如下特点：

底层基于数组实现，读取速度快，修改速度慢（读取时间复杂度O(1)，修改时间复杂度O(N)）。
非线程安全。
ArrayList 每次默认扩容为原来的 1.5 倍。

巴特西

集合系列 List（二）：ArrayList

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核心方法

获取

插入

删除

扩容

总结

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