ArrayList源码分析（基于JDK1.6）

不积跬步，无以至千里；不积小流，无以成江海。从基础做起，一点点积累，加油！

    《Java集合类》中讲述了ArrayList的基础使用，本文将深入剖析ArrayList的内部结构及实现原理，以便更好的、更高效的使用它。

    ArrayList就是传说中的动态数组，就是Array的复杂版本，它提供了如下一些好处：动态的增加和减少元素、灵活的设置数组的大小......

    认真阅读本文，我相信一定会对你有帮助。比如为什么ArrayList里面提供了一个受保护的removeRange方法？提供了其他没有被调用过的私有方法？

    首先看到对ArrayList的定义：

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>  implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable

    从ArrayList<E>可以看出它是支持泛型的，它继承自AbstractList，实现了List、RandomAccess、Cloneable、java.io.Serializable接口。

    AbstractList提供了List接口的默认实现（个别方法为抽象方法）。

    List接口定义了列表必须实现的方法。

    RandomAccess是一个标记接口，接口内没有定义任何内容。

    实现了Cloneable接口的类，可以调用Object.clone方法返回该对象的浅拷贝。

    通过实现 java.io.Serializable 接口以启用其序列化功能。未实现此接口的类将无法使其任何状态序列化或反序列化。序列化接口没有方法或字段，仅用于标识可序列化的语义。

    ArrayList的属性

    ArrayList定义只定义类两个私有属性：

/**
     * The array buffer into which the elements of the ArrayList are stored.
     * The capacity of the ArrayList is the length of this array buffer.
     */
    private transient Object[] elementData;

    /**
     * The size of the ArrayList (the number of elements it contains).
     *
     * @serial
     */
    private int size;

    很容易理解，elementData存储ArrayList内的元素，size表示它包含的元素的数量。

    有个关键字需要解释：transient。

    Java的serialization提供了一种持久化对象实例的机制。当持久化对象时，可能有一个特殊的对象数据成员，我们不想用serialization机制来保存它。为了在一个特定对象的一个域上关闭serialization，可以在这个域前加上关键字transient。
transient是Java语言的关键字，用来表示一个域不是该对象串行化的一部分。当一个对象被串行化的时候，transient型变量的值不包括在串行化的表示中，然而非transient型的变量是被包括进去的。

    有点抽象，看个例子应该能明白。

public class UserInfo implements Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 996890129747019948L;
    private String name;
    private transient String psw;

    public UserInfo(String name, String psw) {
        this.name = name;
        this.psw = psw;
    }

    public String toString() {
        return "name=" + name + ", psw=" + psw;
    }
}

public class TestTransient {
    public static void main(String[] args) {
        UserInfo userInfo = new UserInfo("张三", "123456");
        System.out.println(userInfo);
        try {
            // 序列化，被设置为transient的属性没有被序列化
            ObjectOutputStream o = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(
                    "UserInfo.out"));
            o.writeObject(userInfo);
            o.close();
        } catch (Exception e) {
            // TODO: handle exception
            e.printStackTrace();
        }
        try {
            // 重新读取内容
            ObjectInputStream in = new ObjectInputStream(new FileInputStream(
                    "UserInfo.out"));
            UserInfo readUserInfo = (UserInfo) in.readObject();
            //读取后psw的内容为null
            System.out.println(readUserInfo.toString());
        } catch (Exception e) {
            // TODO: handle exception
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

    被标记为transient的属性在对象被序列化的时候不会被保存。

    接着回到ArrayList的分析中......

    ArrayList的构造方法

    看完属性看构造方法。ArrayList提供了三个构造方法：

/**
     * Constructs an empty list with the specified initial capacity.
     */
    public ArrayList(int initialCapacity) {
    super();
        if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                               initialCapacity);
    this.elementData = new Object[initialCapacity];
    }

    /**
     * Constructs an empty list with an initial capacity of ten.
     */
    public ArrayList() {
    this(10);
    }

    /**
     * Constructs a list containing the elements of the specified
     * collection, in the order they are returned by the collection's
     * iterator.
     */
    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);
    }

    第一个构造方法使用提供的initialCapacity来初始化elementData数组的大小。第二个构造方法调用第一个构造方法并传入参数10，即默认elementData数组的大小为10。第三个构造方法则将提供的集合转成数组返回给elementData（返回若不是Object[]将调用Arrays.copyOf方法将其转为Object[]）。

    ArrayList的其他方法

    add(E e)

    add(E e)都知道是在尾部添加一个元素，如何实现的呢？

public boolean add(E e) {
    ensureCapacity(size + 1);  // Increments modCount!!
    elementData[size++] = e;
    return true;
    }

    书上都说ArrayList是基于数组实现的，属性中也看到了数组，具体是怎么实现的呢？比如就这个添加元素的方法，如果数组大，则在将某个位置的值设置为指定元素即可，如果数组容量不够了呢？

    看到add(E e)中先调用了ensureCapacity(size+1)方法，之后将元素的索引赋给elementData[size]，而后size自增。例如初次添加时，size为0，add将elementData[0]赋值为e，然后size设置为1（类似执行以下两条语句elementData[0]=e;size=1）。将元素的索引赋给elementData[size]不是会出现数组越界的情况吗？这里关键就在ensureCapacity(size+1)中了。

    根据ensureCapacity的方法名可以知道是确保容量用的。ensureCapacity(size+1)后面的注释可以明白是增加modCount的值（加了俩感叹号，应该蛮重要的，来看看）。

/**
     * Increases the capacity of this <tt>ArrayList</tt> instance, if
     * necessary, to ensure that it can hold at least the number of elements
     * specified by the minimum capacity argument.
     *
     * @param   minCapacity   the desired minimum capacity
     */
    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);
    }
    }

    The number of times this list has been structurally modified.

    这是对modCount的解释，意为记录list结构被改变的次数（观察源码可以发现每次调用ensureCapacoty方法，modCount的值都将增加，但未必数组结构会改变，所以感觉对modCount的解释不是很到位）。

    增加modCount之后，判断minCapacity（即size+1）是否大于oldCapacity（即elementData.length），若大于，则调整容量为max((oldCapacity*3)/2+1,minCapacity)，调整elementData容量为新的容量，即将返回一个内容为原数组元素，大小为新容量的数组赋给elementData；否则不做操作。

    所以调用ensureCapacity至少将elementData的容量增加的1，所以elementData[size]不会出现越界的情况。

    容量的拓展将导致数组元素的复制，多次拓展容量将执行多次整个数组内容的复制。若提前能大致判断list的长度，调用ensureCapacity调整容量，将有效的提高运行速度。

    可以理解提前分配好空间可以提高运行速度，但是测试发现提高的并不是很大，而且若list原本数据量就不会很大效果将更不明显。

    add(int index, E element)

    add(int index,E element)在指定位置插入元素。

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++;
    }

    首先判断指定位置index是否超出elementData的界限，之后调用ensureCapacity调整容量（若容量足够则不会拓展），调用System.arraycopy将elementData从index开始的size-index个元素复制到index+1至size+1的位置（即index开始的元素都向后移动一个位置），然后将index位置的值指向element。       

    addAll(Collection<? extends E> c)

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;
    }

    先将集合c转换成数组，根据转换后数组的程度和ArrayList的size拓展容量，之后调用System.arraycopy方法复制元素到elementData的尾部，调整size。根据返回的内容分析，只要集合c的大小不为空，即转换后的数组长度不为0则返回true。

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

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;
    }

     先判断index是否越界。其他内容与addAll(Collection<? extends E> c)基本一致，只是复制的时候先将index开始的元素向后移动X（c转为数组后的长度）个位置（也是一个复制的过程），之后将数组内容复制到elementData的index位置至index+X。

    clear()

public void clear() {
    modCount++;

    // Let gc do its work
    for (int i = 0; i < size; i++)
        elementData[i] = null;

    size = 0;
    }

    clear的时候并没有修改elementData的长度（好不容易申请、拓展来的，凭什么释放，留着搞不好还有用呢。这使得确定不再修改list内容之后最好调用trimToSize来释放掉一些空间），只是将所有元素置为null，size设置为0。

    clone()

    返回此 ArrayList 实例的浅表副本。（不复制这些元素本身。）

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();
    }
    }

    调用父类的clone方法返回一个对象的副本，将返回对象的elementData数组的内容赋值为原对象elementData数组的内容，将副本的modCount设置为0。

    contains(Object)

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

    indexOf方法返回值与0比较来判断对象是否在list中。接着看indexOf。

    indexOf(Object)

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;
    }

    通过遍历elementData数组来判断对象是否在list中，若存在，返回index（[0,size-1]），若不存在则返回-1。所以contains方法可以通过indexOf(Object)方法的返回值来判断对象是否被包含在list中。

    既然看了indexOf(Object)方法，接着就看lastIndexOf，光看名字应该就明白了返回的是传入对象在elementData数组中最后出现的index值。

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;
    }

    采用了从后向前遍历element数组，若遇到Object则返回index值，若没有遇到，返回-1。

    get(int index)

    这个方法看着很简单，应该是返回elementData[index]就完了。

public E get(int index) {
    RangeCheck(index);

    return (E) elementData[index];
    }

    但看代码的时候看到调用了RangeCheck方法，而且还是大写的方法，看看究竟有什么内容吧。

/**
     * Checks if the given index is in range.
*/
private void RangeCheck(int index) {
    if (index >= size)
        throw new IndexOutOfBoundsException(
        "Index: "+index+", Size: "+size);
    }

    就是检查一下是不是超出数组界限了，超出了就抛出IndexOutBoundsException异常。为什么要大写呢？？？

    isEmpty()

    直接返回size是否等于0。

    remove(int index)

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;
    }

    首先是检查范围，修改modCount，保留将要被移除的元素，将移除位置之后的元素向前挪动一个位置，将list末尾元素置空（null），返回被移除的元素。

    remove(Object 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;
    }

    首先通过代码可以看到，当移除成功后返回true，否则返回false。remove(Object o)中通过遍历element寻找是否存在传入对象，一旦找到就调用fastRemove移除对象。为什么找到了元素就知道了index，不通过remove(index)来移除元素呢？因为fastRemove跳过了判断边界的处理，因为找到元素就相当于确定了index不会超过边界，而且fastRemove并不返回被移除的元素。下面是fastRemove的代码，基本和remove(index)一致。

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
    }

    removeRange(int fromIndex,int toIndex)

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;
    }

    执行过程是将elementData从toIndex位置开始的元素向前移动到fromIndex，然后将toIndex位置之后的元素全部置空顺便修改size。

    这个方法是protected，及受保护的方法，为什么这个方法被定义为protected呢？

    这是一个解释，但是可能不容易看明白。http://stackoverflow.com/questions/2289183/why-is-javas-abstractlists-removerange-method-protected

    先看下面这个例子

ArrayList<Integer> ints = new ArrayList<Integer>(Arrays.asList(0, 1, 2,
                3, 4, 5, 6));
        // fromIndex low endpoint (inclusive) of the subList
        // toIndex high endpoint (exclusive) of the subList
        ints.subList(2, 4).clear();
        System.out.println(ints);

    输出结果是[0, 1, 4, 5, 6]，结果是不是像调用了removeRange(int fromIndex,int toIndex)！哈哈哈，就是这样的。但是为什么效果相同呢？是不是调用了removeRange(int fromIndex,int toIndex)呢？这个问题将领写一篇博文讨论。

     《ArrayList removeRange方法深入分析》：http://www.cnblogs.com/hzmark/archive/2012/12/19/ArrayList_removeRange.html

    set(int index,E element)

public E set(int index, E element) {
    RangeCheck(index);

    E oldValue = (E) elementData[index];
    elementData[index] = element;
    return oldValue;
    }

    首先检查范围，用新元素替换旧元素并返回旧元素。

    size()

    size()方法直接返回size。

    toArray()

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

    调用Arrays.copyOf将返回一个数组，数组内容是size个elementData的元素，即拷贝elementData从0至size-1位置的元素到新数组并返回。

    toArray(T[] a)

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;
    }

    如果传入数组的长度小于size，返回一个新的数组，大小为size，类型与传入数组相同。所传入数组长度与size相等，则将elementData复制到传入数组中并返回传入的数组。若传入数组长度大于size，除了复制elementData外，还将把返回数组的第size个元素置为空。

    trimToSize()

public void trimToSize() {
    modCount++;
    int oldCapacity = elementData.length;
    if (size < oldCapacity) {
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);
    }
    }

    由于elementData的长度会被拓展，size标记的是其中包含的元素的个数。所以会出现size很小但elementData.length很大的情况，将出现空间的浪费。trimToSize将返回一个新的数组给elementData，元素内容保持不变，length很size相同，节省空间。

 

    学习Java最好的方式还必须是读源码。读完源码你才会发现这东西为什么是这么玩的，有哪些限制，关键点在哪里等等。而且这些源码都是大牛们写的，你能从中学习到很多。