集合总结一(ArrayList的实现原理)

一、概述

一上来，先来看看源码中的这一段注释，我们可以从中提取到一些关键信息：

Resizable-array implementation of the List interface. Implements all optional list operations, and permits all elements, including null. In addition to implementing the List interface, this class provides methods to manipulate the size of the array that is used internally to store the list. (This class is roughly equivalent to Vector, except that it is unsynchronized.)

从这段注释中，我们可以得知ArrayList是一个动态数组，实现了List接口以及list相关的所有方法，它允许所有元素的插入，包括null。另外，ArrayList和Vector除了线程不同步之外，大致相等。

二、属性

	//默认容量的大小
	private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

	//空数组常量
	private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

	//默认的空数组常量
	private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

	//存放元素的数组，从这可以发现ArrayList的底层实现就是一个Object数组
	transient Object[] elementData;

	//数组中包含的元素个数
	private int size;

	//数组的最大上限
	private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

ArrayList的属性非常少，就只有这些。其中最重要的莫过于elementData了，ArrayList所有的方法都是建立在elementData之上。接下来，我们就来看一下一些主要的方法吧。

三、方法

1、构造方法

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);
    }
}

public ArrayList() {
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

从构造方法中我们可以看见，默认情况下，elementData是一个大小为0的空数组，当我们指定了初始大小的时候，elementData的初始大小就变成了我们所指定的初始大小了。

2、get方法

public E get(int index) {
    rangeCheck(index);
    return elementData(index);
}

private void rangeCheck(int index) {
    if (index >= size)
        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}

E elementData(int index) {
    return (E) elementData[index];
}

因为ArrayList是采用数组结构来存储的，所以它的get方法非常简单，先是判断一下有没有越界，之后就可以直接通过数组下标来获取元素了，所以get的时间复杂度是O(1)。

3、add方法

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

public void add(int index, E element) {
    rangeCheckForAdd(index);
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    //调用一个native的复制方法，把index位置开始的元素都往后挪一位
    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index);
    elementData[index] = element;
    size++;
}

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);
}

ArrayList的add方法也很好理解，在插入元素之前，它会先检查是否需要扩容，然后再把元素添加到数组中最后一个元素的后面。在ensureCapacityInternal方法中，我们可以看见，如果当elementData为空数组时，它会使用默认的大小去扩容。所以说，通过无参构造方法来创建ArrayList时，它的大小其实是为0的，只有在使用到的时候，才会通过grow方法去创建一个大小为10的数组。

第一个add方法的复杂度为O(1)，虽然有时候会涉及到扩容的操作，但是扩容的次数是非常少的，所以这一部分的时间可以忽略不计。如果使用的是带指定下标的add方法，则复杂度为O(n)，因为涉及到对数组中元素的移动，这一操作是非常耗时的。

4、set方法

public E set(int index, E element) {
    rangeCheck(index);
    E oldValue = elementData(index);
    elementData[index] = element;
    return oldValue;
}

set方法的作用是把下标为index的元素替换成element，跟get非常类似，所以就不在赘述了，时间复杂度度为O(1)。

5、remove方法

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;
}

remove方法与add带指定下标的方法非常类似，也是调用系统的arraycopy方法来移动元素，时间复杂度为O(n)。

6、grow方法

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方法是在数组进行扩容的时候用到的，从中我们可以看见，ArrayList每次扩容都是扩1.5倍，然后调用Arrays类的copyOf方法，把元素重新拷贝到一个新的数组中去。

7、size方法

public int size() {
    return size;
}

size方法非常简单，它是直接返回size的值，也就是返回数组中元素的个数，时间复杂度为O(1)。这里要注意一下，返回的并不是数组的实际大小。

8、indexOf方法和lastIndexOf

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;
}

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;
}

indexOf方法的作用是返回第一个等于给定元素的值的下标。它是通过遍历比较数组中每个元素的值来查找的，所以它的时间复杂度是O(n)。

lastIndexOf的原理跟indexOf一样，而它仅仅是从后往前找起罢了。

四、Vector

本来是想把Vector当成一章来讲的，结果看了一下源码之后发现并没有什么好讲，因为很多方法都跟ArrayList一样，只是多加了个synchronized来保证线程安全罢了。如果照着ArrayList的方式再将一次就显得没意思了，所以只把Vector与ArrayList的不同点提一下就可以了。

Vector比ArrayList多了一个属性：

protected int capacityIncrement;

这个属性是在扩容的时候用到的，它表示每次扩容只扩capacityIncrement个空间就足够了。该属性可以通过构造方法给它赋值。先来看一下构造方法：

public Vector(int initialCapacity, int capacityIncrement) {
    super();
    if (initialCapacity < 0)
        throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+initialCapacity);
    this.elementData = new Object[initialCapacity];
    this.capacityIncrement = capacityIncrement;
}

public Vector(int initialCapacity) {
    this(initialCapacity, 0);
}

public Vector() {
    this(10);
}

从构造方法中，我们可以看出Vector的默认大小也是10，而且它在初始化的时候就已经创建了数组了，这点跟ArrayList不一样。再来看一下grow方法：

private void grow(int minCapacity) {
    // overflow-conscious code
    int oldCapacity = elementData.length;
    int newCapacity = oldCapacity + ((capacityIncrement > 0) ? capacityIncrement : oldCapacity);
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

从grow方法中我们可以发现，newCapacity默认情况下是两倍的oldCapacity，而当指定了capacityIncrement的值之后，newCapacity变成了oldCapacity+capacityIncrement。

五、总结

1. ArrayList创建时的大小为0；当加入第一个元素时，进行第一次扩容时，默认容量大小为10。
2. ArrayList每次扩容都以当前数组大小的1.5倍去扩容。
3. Vector创建时的默认大小为10。
4. Vector每次扩容都以当前数组大小的2倍去扩容。当指定了capacityIncrement之后，每次扩容仅在原先基础上增加capacityIncrement个单位空间。
5. ArrayList和Vector的add、get、size方法的复杂度都为O(1)，remove方法的复杂度为O(n)。
6. ArrayList是非线程安全的，Vector是线程安全的。