ArrayList使用及原理
之前面试时，经常被问到ArrayList的原理，今天整理了一些ArrayList的使用原理和必问的知识点。
ArrayList的继承关系
定义一个ArrayList的方法
ArrayList的三个构造函数：
1.无参
//默认创建一个ArrayList集合 ArrayList<String> arrayList1 = new ArrayList<>();
2.参数为整数
//创建一个初始长度为20的ArrayList集合 ArrayList<String> arrayList2 = new ArrayList<>(20);
3.参数为集合
//将其它类型的集合转化为ArrayList ArrayList<String> arrayList3 = new ArrayList<>(new HashSet());
我们读ArrayList的构造函数源码之前，先看看ArrayList的属性情况：
1 /** 2 * Default initial capacity. 3 */ 4 private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10; 5 6 /** 7 * Shared empty array instance used for empty instances. 8 */ 9 private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {}; 10 11 /** 12 * Shared empty array instance used for default sized empty instances. We 13 * distinguish this from EMPTY_ELEMENTDATA to know how much to inflate when 14 * first element is added. 15 */ 16 private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {}; 17 18 /** 19 * The array buffer into which the elements of the ArrayList are stored. 20 * The capacity of the ArrayList is the length of this array buffer. Any 21 * empty ArrayList with elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 22 * will be expanded to DEFAULT_CAPACITY when the first element is added. 23 */ 24 transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access 25 26 /** 27 * The size of the ArrayList (the number of elements it contains). 28 * 29 * @serial 30 */ 31 private int size;
可以看到，ArrayList是非线程安全的容器，底层实现是Object[],数据会添加到ArrayList的elementData数组中，而且默认容量DEFAULT_CAPACITY=10
。但其实在jdk1.7之后，ArrayList的默认容量就是0了，而且DEFAULT_CAPACITY在扩容的过程中才会用到。
我们再看看ArrayList的三种构造函数。
ArrayList有参构造函数-参数类型为整型
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); } }
可以看到，如果传入正整数，则elementData数组容量初始化为initiaCapacity；如果传入0，则elementData数组赋值为一个空数组。可能有读者发现
ArrayList类中有两个属性定义为空数组。
为什么ArrayList会定义两个空数组？
注释中给出了官方的解释(下有翻译)
/** * Shared empty array instance used for empty instances. */ private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {}; /** * Shared empty array instance used for default sized empty instances. We * distinguish this from EMPTY_ELEMENTDATA to know how much to inflate when * first element is added. */ private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
简而言之，EMPTY_ELEMENTDATA与DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA在功能上有不同的意义，前者是单纯用于赋值为空数组，
后者是给elementData数组初始化的。
ArrayList有参构造函数-参数类型为集合类
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; } }
可以看到，只要实现了Collection的集合类，都会调用toArray()将集合类中的数组赋给elementData。而且toArray()返回的数组类型不是Object[]类型时
...etc,toArray()返回的数组类型为什么会不是Object[]类型？举个栗子：
public class Test<E> extends ArrayList{ @Override public Integer[] toArray() { return new Integer[] {0,23}; } public static void main(String[] args) { Object[] elementData = new Test<Integer>().toArray(); System.out.println(elementData.getClass()); System.out.println(Object[].class); System.out.println(elementData.getClass()==Object[].class); } }
运行结果为：
好，我们接着说当toArray()返回的数组类型不是Object[]类型时，会调用Arrays.copyOf()将原数组拷贝到新数组去，而且类型还可以定义为Object类：
public static <T,U> T[] copyOf(U[] original, int newLength, Class<? extends T[]> newType) { @SuppressWarnings("unchecked") 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; }
ArrayList无参构造函数
/** * Constructs an empty list with an initial capacity of ten. */ public ArrayList() { this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA; }
在这里，我们可以看到，jdk1.8以后ArrayList的默认容量为0.
如果ArrayList的默认容量为0，还可以添加数组吗？
当然可以，通过扩容机制可以扩充ArrayList的容量：
public void ensureCapacity(int minCapacity) { int minExpand = (elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) // any size if not default element table ? 0 // larger than default for default empty table. It's already // supposed to be at default size. : DEFAULT_CAPACITY; if (minCapacity > minExpand) { ensureExplicitCapacity(minCapacity); } }
在这里我们可以看到，如果elementData数组依然为DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA(即初始状态)，则通过
ensureExplicitCapacity()方法将ArrayList容量扩充为10(DEFAULT_CAPACITY)。
为什么无参构造函数对ArrayList容量的初始化改变了呢？
虽然jdk1.8中的ArrayList默认容量为0，但在jdk1.6的无参构造函数的ArrayList默认容量为10：
public ArrayList(){ this(10); }
个人认为，jdk1.8中延迟初始化ArrayList的实际容量，应该是考虑如果一开始就初始化为10，那么大小为1o的数组中存的全部是null，这种数组多了也会占用大量的
空间，所以这是为了节省不必要浪费的空间，体现了懒加载的思想。
怎样使用ArrayList？
既然我们已经知道了怎么去定义一个ArrayList，接下来就是要使用ArrayList了，而ArrayList提供了常见的方法有：add、addAll、set、get、remove、size、isEmpty等。
因为ArrayList的一些方法会涉及到数据位置的变换，为了更直观的感受这些变化，在这里我们来举个栗子：
ArrayList<String> arrayList = new ArrayList<>(); arrayList.add("吕布"); arrayList.add("貂蝉"); arrayList.add("董卓"); arrayList.add("刘备"); arrayList.add("赵云");
也就是说，elementData数组中有这些数据：
如果在这些人物中加入”曹操“,我们来看看这个操作在源码中是怎么样的过程：
public boolean add(E e) { ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!! elementData[size++] = e; return true; }
首先，会先通过ensureCapacityInternal(size+1)检查elementData数组的容量是否充足，然后在将数据放入数组中，我们来看看ArrayList是怎么进行容量检查的。
ensureCapacityInternal()
public void ensureCapacity(int minCapacity) { int minExpand = (elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) // any size if not default element table ? 0 // larger than default for default empty table. It's already // supposed to be at default size. : DEFAULT_CAPACITY; if (minCapacity > minExpand) { ensureExplicitCapacity(minCapacity); } }
在这个方法中，确定elementData数组是不是空数组，如果是的话，将形参minCapacity赋值为10(DEFAULT_CAPACITY),然后进入ensureExplicitCapacity()方法。
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) { modCount++; // overflow-conscious code if (minCapacity - elementData.length > 0) grow(minCapacity); }
此方法中的modCount变量是从AbstractList继承下来的，用于记录对ArrayList的对象操作的次数：
private transient int modCount=0；
可以看到当形参minCapacity的数值比当前的elementData数组的长度大，则要调用grow()方法进行扩容操作。
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); }
可以看到，扩容规则为“数组当前的容量+（数组当前的容量/2）”，即扩容后的数组容量为之前数组容量的1.5倍。当然，如果超过了最大值，在hugeCapacity（）方法
中会对其进行处理。
private static int hugeCapacity(int minCapacity) { if (minCapacity < 0) // overflow throw new OutOfMemoryError(); return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ? Integer.MAX_VALUE : MAX_ARRAY_SIZE; }
如果形参minCapacity大于MAX_ARRAY_SIZE,则赋值为interger.MAX_VALUE,实际上MAX_ARRAY_SIZE与Integer.MAX_VALUE相差8.
回到之前的例子中，elementData数组的容量为10，而数组中的数据只有6个，所以“曹操”的加入并不会引起扩容，此时elementData数组中的数据如下:
与add()类似的方法还有：
add(0,"马超")
此方法将数组中的元素各自往后移动一位之后，再将“马超”放在第一个位置上：
addAll(1,list..."张飞"，“马谡”，“黄忠”)
将"张飞"，“马谡”，“黄忠”放到“吕布”之后，那么数组第二个位置后的元素都需要往后移动三位，而且明显看到数组的容量已经不够了，按规则数组会扩容到16.
如果需要在既定位置安插数据，则需要通过rangeCheckForAdd()方法判断数组是否越界。
private void rangeCheckForAdd(int index) { if (index > size || index < 0) throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index)); }
set(int index，E element)
在add()方法中，如果要在数组中（除了数组末尾）安插一个数据，需要将安插位置之后的数据往后移动一位，但如果需要替换数组某个位置的数据，则需要找到对应位置，替换
元素即可。
public E set(int index, E element) { rangeCheck(index); E oldValue = elementData(index); elementData[index] = element; return oldValue; }
在set()方法执行过程中，需要进行rangeCheck()数组范围检查之后，再将元数据取出用于返回，并在该数组位置替换新数据，如将“马超”替换为“马良”：
ArrayList中的get()方法获取数据的方法也很简单，只需要先判断传入的数组下标是否越界，并通过下标查找，转换类型即可。
public E get(int index) { rangeCheck(index); return elementData(index); }
其中的elementData()方法的实现如下：
E elementData(int index) { return (E) elementData[index]; }
remove（int index）和remove（Object o）
ArrayList有两种删除方式，一种是通过下标选择删除的元素，另一个是通过值对象删除元素。我们来了解一下前者：
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; }
通过下标选择删除的元素的remove（int index）方法中，在删除元素之前，需要先对下标进行范围检查rangeCheck()，然后在计算出需要移动的元素个数，
通过arraycopy()即数组复制方式，将既定位置之后的元素都向前移动一位，最后在设置elementData[size-1]为null，使GC回收对其起作用。
接下来我们来看后者：
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; }
通过值对象删除元素的remove(Object o)方法中，程序将null单独进行处理，因为null是一种状态，不属于任何类型的值。再选中了既定值对象对应的下标之后，删除操作
将会在fastRemove()方法中进行，而fastRemove()方法中的操作过程就跟remove(int index)类似，
在看一下ArrayList的其它方法
--size():用于获取集合的长度。
--isEmpty():用于判断ArrayList是否为空。
--contains():用于判读ArrayList是否包含某个元素。
--clear():从列表删除所有元素
