Java集合源码分析（二）ArrayList
ArrayList简介
ArrayList是基于数组实现的，是一个动态数组，其容量能自动增长，类似于C语言中的动态申请内存，动态增长内存。
ArrayList不是线程安全的，只能用在单线程环境下，多线程环境下可以考虑用Collections.synchronizedList(List l)函数返回一个线程安全的ArrayList类，也可以使用concurrent并发包下的CopyOnWriteArrayList类。
ArrayList实现了Serializable接口，因此它支持序列化，能够通过序列化传输，实现了RandomAccess接口，支持快速随机访问，实际上就是通过下标序号进行快速访问，实现了Cloneable接口，能被克隆。
ArrayList源码
ArrayList的源码如下（加入了简单的注释，版本号为1.56）：
/**@(#)ArrayList.java 1.56 06/04/21
* Copyright 2006 Sun Microsystems, Inc. All rights reserved.
* SUN PROPRIETARY/CONFIDENTIAL. Use is subject to license terms.
*/
package java.util;
/**
* @author Josh Bloch
* @author Neal Gafter
* @version 1.56, 04/21/06
* @see Collection
* @see List
* @see LinkedList
* @see Vector
* @since 1.2
*/
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;
// ArrayList基于该数组实现，用该数组保存数据
private transient Object[] elementData;
// 实际大小
private int size;
// 带容量大小的构造函数
public ArrayList(int initialCapacity) {
super();
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
initialCapacity);
this.elementData = new Object[initialCapacity];
}
// 默认构造函数
public ArrayList() {
this(10);
}
// Collection构造函数
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
elementData = c.toArray();
size = elementData.length;
// c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
if (elementData.getClass() != Object[].class)
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
}
// 当前容量值为实际个数
public void trimToSize() {
modCount++;
int oldCapacity = elementData.length;
if (size < oldCapacity) {
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);
}
}
// 确定ArrayList容量
// 若容量不足以容纳当前全部元素，则扩容，新的容量=“(原始容量x3)/2 + 1”
public void ensureCapacity(int minCapacity) {
modCount++;
int oldCapacity = elementData.length;
if (minCapacity > oldCapacity) {
Object oldData[] = elementData;
int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1;
if (newCapacity < minCapacity)
newCapacity = minCapacity;
// minCapacity is usually close to size, so this is a win:
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
}
// 返回实际大小
public int size() {
return size;
}
// 清空
public boolean isEmpty() {
return size == 0;
}
// 是否包含o
public boolean contains(Object o) {
return indexOf(o) >= 0;
}
// 正向查找，返回o的index
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;
}
// 逆向查找，返回o的index
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;
}
// 克隆函数
public Object clone() {
try {
ArrayList<E> v = (ArrayList<E>) super.clone();
v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);
v.modCount = 0;
return v;
} catch (CloneNotSupportedException e) {
// this shouldn't happen, since we are Cloneable
throw new InternalError();
}
}
// 返回ArrayList的Object数组
public Object[] toArray() {
return Arrays.copyOf(elementData, size);
}
// 返回ArrayList组成的数组
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;
}
// Positional Access Operations
// 得到index位置的元素
public E get(int index) {
RangeCheck(index);
return (E) elementData[index];
}
// 向index插入element
public E set(int index, E element) {
RangeCheck(index);
E oldValue = (E) elementData[index];
elementData[index] = element;
return oldValue;
}
// 添加e
public boolean add(E e) {
ensureCapacity(size + 1); // Increments modCount!!
elementData[size++] = e;
return true;
}
// 向index插入element
public void add(int index, E element) {
if (index > size || index < 0)
throw new IndexOutOfBoundsException(
"Index: "+index+", Size: "+size);
ensureCapacity(size+1); // Increments modCount!!
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
size - index);
elementData[index] = element;
size++;
}
// 移除index位置的元素
public E remove(int index) {
RangeCheck(index);
modCount++;
E oldValue = (E) elementData[index];
int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
numMoved);
elementData[--size] = null; // Let gc do its work
return oldValue;
}
// 移除o
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;
}
// 快速移除index位置的元素
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; // Let gc do its work
}
// 清空
public void clear() {
modCount++;
// Let gc do its work
for (int i = 0; i < size; i++)
elementData[i] = null;
size = 0;
}
// 添加Collection
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
Object[] a = c.toArray();
int numNew = a.length;
ensureCapacity(size + numNew); // Increments modCount
System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
size += numNew;
return numNew != 0;
}
// 在index添加Collection
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
if (index > size || index < 0)
throw new IndexOutOfBoundsException(
"Index: " + index + ", Size: " + size);
Object[] a = c.toArray();
int numNew = a.length;
ensureCapacity(size + numNew); // Increments modCount
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;
}
// 移除fromIndex到toIndex之间的全部元素
protected void removeRange(int fromIndex, int toIndex) {
modCount++;
int numMoved = size - toIndex;
System.arraycopy(elementData, toIndex, elementData, fromIndex,
numMoved);
// Let gc do its work
int newSize = size - (toIndex-fromIndex);
while (size != newSize)
elementData[--size] = null;
}
// 移除index位置的元素
private void RangeCheck(int index) {
if (index >= size)
throw new IndexOutOfBoundsException(
"Index: "+index+", Size: "+size);
}
// java.io.Serializable的写入函数,将ArrayList的“容量，所有的元素值”都写入到输出流中
private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
throws java.io.IOException{
// Write out element count, and any hidden stuff
int expectedModCount = modCount;
s.defaultWriteObject();
// Write out array length
s.writeInt(elementData.length);
// Write out all elements in the proper order.
for (int i=0; i<size; i++)
s.writeObject(elementData[i]);
if (modCount != expectedModCount) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
// java.io.Serializable的读取函数：根据写入方式读出,先将ArrayList的“容量”读出，然后将“所有的元素值”读出
private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
// Read in size, and any hidden stuff
s.defaultReadObject();
// Read in array length and allocate array
int arrayLength = s.readInt();
Object[] a = elementData = new Object[arrayLength];
// Read in all elements in the proper order.
for (int i=0; i<size; i++)
a[i] = s.readObject();
}
}
ArrayList详细分析
1.构造函数
ArrayList有三个构造函数，如下(英文注释全部删掉，默认代码折叠，太占地方了)：
private transient Object[] elementData;
private int size;
public ArrayList(int initialCapacity) {
super();
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
initialCapacity);
this.elementData = new Object[initialCapacity];
}
public ArrayList() {
this(10);
}
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
elementData = c.toArray();
size = elementData.length;
// c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
if (elementData.getClass() != Object[].class)
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
}
从第一句话可以看到，ArrayList本质上是一个Object类型的数组，前面加入了transient关键字，在序列化的时候忽略，但是在最后自己重写了writeObject和readObject这两个函数，第一个是构造传入固定大小的ArrayList，第二个是默认大小为10，第三个是将传入的Collection转成ArrayList。
序列化有2种方式：
A、只是实现了Serializable接口。
序列化时，调用java.io.ObjectOutputStream的defaultWriteObject方法，将对象序列化。
注意：此时transient修饰的字段，不会被序列化。
B、实现了Serializable接口，同时提供了writeObject方法。
序列化时，会调用该类的writeObject方法。而不是java.io.ObjectOutputStream的defaultWriteObject方法。
注意：此时transient修饰的字段，是否会被序列化，取决于writeObject
2.自动扩容函数
public void ensureCapacity(int minCapacity) {
modCount++;
int oldCapacity = elementData.length;
if (minCapacity > oldCapacity) {
Object oldData[] = elementData;
int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1;
if (newCapacity < minCapacity)
newCapacity = minCapacity;
// minCapacity is usually close to size, so this is a win:
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
}
关键在这里int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1;新的数组大小是旧的数组大小的二分之三加一，然后调用Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);得到新的elementData对象。说到这里我默默的翻看了一下jdk1.7的源码，发现在jdk1.7当中，扩容效率有了本质上的提高，请看下面的代码：（出自jdk1.7）
public void ensureCapacity(int minCapacity) {
if (minCapacity > 0)
ensureCapacityInternal(minCapacity);
}
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
modCount++;
// overflow-conscious code
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
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);
}
1.7相比较1.6，自动扩容增加了两个方法，增加了数组扩容时的判断，最重要的是这句话：int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);没有再用*3再/2这种低端的玩法，直接采用了移位运算，我不是太懂十进制数的移位运算，经过几次自己的测试发现如果是偶数，这个移位运算正好是一半，如果是奇数，则是向下取整。
3.存储
第一判断ensureSize，如果够直接插入，否则按照policy扩展，复制，重建数组。
第二步插入元素。
ArrayList提供了set(int index, E element)、add(E e)、add(int index, E element)、addAll(Collection<? extends E> c)、addAll(int index, Collection<? extends E> c)这些添加元素的方法。
3.1. set(int index, E element),取代，而非插入，返回被取代的元素
public E set(int index, E element) {
RangeCheck(index);
E oldValue = (E) elementData[index];
elementData[index] = element;
return oldValue;
}
3.2.add(E e) 增加元素到末尾，如果size不溢出，自动增长
public boolean add(E e) {
ensureCapacity(size + 1); // Increments modCount!!
elementData[size++] = e;
return true;
}
3.3.add(int index, E element) 增加元素到某个位置，该索引之后的元素都后移一位
public void add(int index, E element) {
if (index > size || index < 0)
throw new IndexOutOfBoundsException(
"Index: "+index+", Size: "+size);
ensureCapacity(size+1); // Increments modCount!!
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
size - index);
elementData[index] = element;
size++;
}
3.4.后面两个方法都是把集合转换为数组利用c.toArray，然后利用Arrays.copyOF 方法
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
Object[] a = c.toArray();
int numNew = a.length;
ensureCapacity(size + numNew); // Increments modCount
System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
size += numNew;
return numNew != 0;
}
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
if (index > size || index < 0)
throw new IndexOutOfBoundsException(
"Index: " + index + ", Size: " + size);
Object[] a = c.toArray();
int numNew = a.length;
ensureCapacity(size + numNew); // Increments modCount
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;
}
4.删除
一种是按索引删除，不用查询，索引之后的element顺序左移一位，并将最后一个element设为null，由gc负责回收。
public E remove(int index) {
RangeCheck(index);
modCount++;
E oldValue = (E) elementData[index];
int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
numMoved);
elementData[--size] = null; // Let gc do its work
return oldValue;
}
5.Arrays.copyOf
源码如下：
public static <T,U> T[] copyOf(U[] original, int newLength, Class<? extends T[]> newType) {
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;
}
这里有所优化，如果是Object类型的，直接new Object数组，如果不是则通过Array.newInstance(newType.getComponentType(), newLength)方法产生相应的数组类型。通过System.arraycopy实现数组复制，System是个final类，arraycopy是个native方法。
该方法被标记了native，调用了系统的C/C++代码，在JDK中是看不到的，但在openJDK中可以看到其源码。该函数实际上最终调用了C语言的memmove()函数，因此它可以保证同一个数组内元素的正确复制和移动，比一般的复制方法的实现效率要高很多，很适合用来批量处理数组。Java强烈推荐在复制大量数组元素时用该方法，以取得更高的效率。
6.Arrays.newInstance()的意义
Java反射技术除了可以在运行时动态地决定要创建什么类型的对象，访问哪些成员变量，方法，还可以动态地创建各种不同类型，不同维度的数组。
动态创建数组的步骤如下：
1.创建Class对象，通过forName(String)方法指定数组元素的类型
2.调用Array.newInstance(Class, length_of_array)动态创建数组
访问动态数组元素的方法和通常有所不同，它的格式如下所示，注意该方法返回的是一个Object对象
Array.get(arrayObject, index)
为动态数组元素赋值的方法也和通常的不同，它的格式如下所示， 注意最后的一个参数必须是Object类型
Array.set(arrayObject, index, object)
动态数组Array不单可以创建一维数组，还可以创建多维数组。步骤如下：
1.定义一个整形数组：例如int[] dims= new int{5, 10, 15};指定一个三维数组
2.调用Array.newInstance(Class, dims);创建指定维数的数组
访问多维动态数组的方法和访问一维数组的方式没有什么大的不同，只不过要分多次来获取，每次取出的都是一个Object，直至最后一次，赋值也一样。
动态数组Array可以转化为普通的数组，例如:
Array arry = Array.newInstance(Integer.TYPE,5);
int arrayCast[] = (int[])array;
7.为何要序列化
ArrayList 实现了java.io.Serializable接口，在需要序列化的情况下，复写writeObjcet和readObject方法提供适合自己的序列化方法。
1、序列化是干什么的？
简单说就是为了保存在内存中的各种对象的状态（也就是实例变量，不是方法），并且可以把保存的对象状态再读出来。虽然你可以用你自己的各种各样的方法来保存object states，但是Java给你提供一种应该比你自己好的保存对象状态的机制，那就是序列化。
2、什么情况下需要序列化
a）当你想把的内存中的对象状态保存到一个文件中或者数据库中时候；
b）当你想用套接字在网络上传送对象的时候；
c）当你想通过RMI传输对象的时候；
8.总结
8.1.Arraylist基于数组实现，是自增长的
8.2.非线程安全的
8.3.插入时可能要扩容，删除时size不会减少，如果需要，可以使用trimToSize方法，在查询时，遍历查询，为null，判断是否是null， 返回； 如果不是null，用equals判断，返回
/**
* Returns <tt>true</tt> if this list contains the specified element.
* More formally, returns <tt>true</tt> if and only if this list contains
* at least one element <tt>e</tt> such that
* <tt>(o==null ? e==null : o.equals(e))</tt>.
*
* @param o element whose presence in this list is to be tested
* @return <tt>true</tt> if this list contains the specified element
*/
public boolean contains(Object o) {
return indexOf(o) >= 0;
}
/**
* Returns the index of the first occurrence of the specified element
* in this list, or -1 if this list does not contain the element.
* More formally, returns the lowest index <tt>i</tt> such that
* <tt>(o==null ? get(i)==null : o.equals(get(i)))</tt>,
* or -1 if there is no such index.
*/
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;
}
8.4. 允许重复和 null 元素
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参考资料：
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