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。
