Java容器源码分析-ArrayList
概览
因为 ArrayList 是基于数组实现的，所以支持快速随机访问。RandomAccess 接口标识着该类支持快速随机访问。
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
数组的默认大小为 10。
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
扩容
添加元素时使用 ensureCapacityInternal() 方法来保证容量足够，如果不够时，需要使用 grow() 方法进行扩容，新容量的大小为 ArraysSupport.newLength(oldCapacity,minCapacity - oldCapacity, oldCapacity >> 1); ，即newLength = Math.max(minCapacity - oldCapacity, oldCapacity >> 1) + oldCapacity; 。扩容操作需要调用 Arrays.copyOf() 把原数组整个复制到新数组中，这个操作代价很高，因此最好在创建 ArrayList 对象时就指定大概的容量大小，减少扩容操作的次数。
public boolean add(E e) { // 直接添加 modCount++; add(e, elementData, size); return true; } public void add(int index, E element) { // 根据索引添加 rangeCheckForAdd(index); modCount++; final int s; Object[] elementData; if ((s = size) == (elementData = this.elementData).length) elementData = grow(); System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, s - index); elementData[index] = element; size = s + 1; } private void add(E e, Object[] elementData, int s) { if (s == elementData.length) elementData = grow(); elementData[s] = e; size = s + 1; } private Object[] grow() { return grow(size + 1); } private Object[] grow(int minCapacity) { int oldCapacity = elementData.length; if (oldCapacity > 0 || elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) { int newCapacity = ArraysSupport.newLength(oldCapacity, minCapacity - oldCapacity, /* minimum growth */ oldCapacity >> 1 /* preferred growth */); return elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); } else { return elementData = new Object[Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity)]; } }
删除元素
需要调用 System.arraycopy() 将 index+1 后面的元素都复制到 index 位置上，该操作的时间复杂度为 O(N)，可以看到 ArrayList 删除元素的代价是非常高的。
public E remove(int index) { //根据索引删除 Objects.checkIndex(index, size); final Object[] es = elementData; @SuppressWarnings("unchecked") E oldValue = (E) es[index]; fastRemove(es, index); return oldValue; } public boolean remove(Object o) { // 根据对象删除 final Object[] es = elementData; final int size = this.size; int i = 0; found: { if (o == null) { for (; i < size; i++) if (es[i] == null) break found; } else { for (; i < size; i++) if (o.equals(es[i])) // 若存在等价的多个要删除的对象，只删除第一个 break found; } return false; } fastRemove(es, i); return true; } private void fastRemove(Object[] es, int i) { modCount++; final int newSize; if ((newSize = size - 1) > i) System.arraycopy(es, i + 1, es, i, newSize - i); es[size = newSize] = null; }
set
根据索引删除，返回被删除的值
public E set(int index, E element) { Objects.checkIndex(index, size); E oldValue = elementData(index); elementData[index] = element; return oldValue; }
序列化
ArrayList 基于数组实现，并且具有动态扩容特性，因此保存元素的数组不一定都会被使用，那么就没必要全部进行序列化。
保存元素的数组 elementData 使用 transient 修饰，该关键字声明数组默认不会被序列化
transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
ArrayList 实现了 writeObject() 和 readObject() 来控制只序列化数组中有元素填充那部分内容。
@java.io.Serial private void readObject(java.io.ObjectInputStream s) throws java.io.IOException, ClassNotFoundException { // Read in size, and any hidden stuff s.defaultReadObject(); // Read in capacity s.readInt(); // ignored if (size > 0) { // like clone(), allocate array based upon size not capacity SharedSecrets.getJavaObjectInputStreamAccess().checkArray(s, Object[].class, size); Object[] elements = new Object[size]; // Read in all elements in the proper order. for (int i = 0; i < size; i++) { elements[i] = s.readObject(); } elementData = elements; } else if (size == 0) { elementData = EMPTY_ELEMENTDATA; } else { throw new java.io.InvalidObjectException("Invalid size: " + size); } }
@java.io.Serial 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 size as capacity for behavioral compatibility with clone() s.writeInt(size); // 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(); } }
序列化时需要使用 ObjectOutputStream 的 writeObject() 将对象转换为字节流并输出。而 writeObject() 方法在传入的对象存在 writeObject() 的时候会去反射调用该对象的 writeObject() 来实现序列化。反序列化使用的是 ObjectInputStream 的 readObject() 方法，原理类似。
Fail-Fast
modCount 用来记录 ArrayList 结构发生变化的次数。结构发生变化是指添加或者删除至少一个元素的所有操作，或者是调整内部数组的大小，仅仅只是设置元素的值不算结构发生变化。
在进行序列化或者迭代等操作时，需要比较操作前后 modCount 是否改变，如果改变了需要抛出 ConcurrentModificationException。代码参考上节序列化中的 writeObject() 方法。
对ArrayList进行操作的测试：
public class AnalyseArrayList { public static void main(String[] args) { ArrayList<String> strings = new ArrayList(); strings.add("aaa"); strings.add("bbb"); strings.add("ccc"); strings.add("aaa"); // strings.add(1); System.out.println("-------------直接添加后---------------"); for (String str:strings){ System.out.println(str); } strings.add(1,"zzz"); System.out.println("-------------根据索引添加后---------------"); for (String str:strings){ System.out.println(str); } strings.remove(2); System.out.println("-------------根据索引删除后---------------"); for (String str:strings){ System.out.println(str); } strings.remove("aaa"); System.out.println("-------------根据对象删除后---------------"); for (String str:strings){ System.out.println(str); } strings.set(0,"ooo"); System.out.println("-------------进行set操作后---------------"); for (String str:strings){ System.out.println(str); } } }
