ArrayList原理解析

简介

ArrayList就是动态数组，用MSDN中的说法，就是Array的复杂版本，它提供了动态的增加和减少元素，实现了ICollection和IList接口，灵活的设置数组的大小等好处

有图有码

图为手工画的，有点丑见谅 _！

1. 初始化集合ArrayList list = new ArrayList();
   因为使用无参构造时候集合容器为空，所以无任何空位。
2. 第一次添加元素 add("a") 第一次添加元素时候，检测容器为空，根据默认容量10进行初始化容器。然后将元素放置到第一个空位中。 初始化容器：
   增加一个元素：
3. 第十一次添加元素 add("k") 第十一次添加元素，发现元素超出容量，所以进行一次扩容，扩容后的大小为原容量加原容量的二分之一，即为15；然后将元素放置到第是一个空位中。
   增加容量：
   增加一个元素：
4. 移除期中一个元素 remove(3) 移除第三个元素，将数组从第四个元素到最后一个元素放置到第三个元素开始到最后，然后将数组的最后一位元素设为null。 

源码分析

构造方法

//无参构造方法，初始化elementData为{}
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
//元素数组
transient Object[] elementData;
//集合大小
private int size;
//默认容量
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

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

//指定容量大小的构造方法
 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);
        }
    }

//带有初始化数据的构造
 public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
        elementData = c.toArray();
        if ((size = elementData.length) != 0) {
            // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
            // 因为c.toArray返回的不一定为Object[]
            // 如Object[] objs = new String[]{""};
            // objs[0]=new Object();//java.lang.ArrayStoreException: java.lang.Object
            //经测试 在1.8被修复了^_^
            if (elementData.getClass() != Object[].class)
                elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
        } else {
            // replace with empty array.
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        }
    }

方法及源码

• add

//增加一个元素
public boolean add(E e) {
        //确保有空余的容量，否则则增加容量
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }

//指定位置插入一个元素
public void add(int index, E element) {
        //检测下标是否越界，否则 throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
        rangeCheckForAdd(index);
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        //拷贝数组，为新元素腾出一个空位
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                         size - index);
        elementData[index] = element;
        size++;
    }

//确保有空余的容量，否则则增加容量
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
//如果集合为空，则取默认和当前size+1较大的值
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
            minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }

        ensureExplicitCapacity(minCapacity);
    }
//判断当前容量是否够用
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        modCount++;

        // overflow-conscious code
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            //增加容量
            grow(minCapacity);
    }
//增加容量
private void grow(int minCapacity) {
        // overflow-conscious code
        int oldCapacity = elementData.length;
        //新容量=原来大小+原来大小/2，也就是说扩容原来大小的一半。
        //备注： x>>1=x/2
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        //如果新容量还不够用，设容量为所需容量
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            newCapacity = minCapacity;
        //如过所需容量大于最大容量Integer.MAX_VALUE - 8,则设置超大容量
        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);
    }
//设置超大容量，capacity=Integer.MAX_VALUE=2147483647
private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
        if (minCapacity < 0) // overflow
            throw new OutOfMemoryError();
        return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
            Integer.MAX_VALUE :
            MAX_ARRAY_SIZE;
    }

• remove

//首先根据对象循环对比，找出第一个相等的对象的下标
//然后通过fastRemove方法进行快速移除
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;
    }

//根据下标进行移除，返回被移除的元素
public E remove(int index) {
        //检查下标是否越界
        rangeCheck(index);

        modCount++;
        E oldValue = elementData(index);
        //计算出要拷贝的对象个数
        int numMoved = size - index - 1;
         //移除的原理就是将指定下标的后面元素全部向前移动一步，将末端元素设为null
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                             numMoved);
        elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work

        return oldValue;
    }

//快速移除方法
private void fastRemove(int index) {
        modCount++;
        int numMoved = size - index - 1;
        //移除的原理就是将指定下标的后面元素全部向前移动一步，将末端元素设为null
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                             numMoved);
        elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
    }

• get

public E get(int index) {
        //检测下标是否越界
        rangeCheck(index);

        return elementData(index);
    }

• set

//修改某个下标的元素
public E set(int index, E element) {
        //检测下标是否越界
        rangeCheck(index);
        //获取老的元素
        E oldValue = elementData(index);
        //赋值新的元素
        elementData[index] = element;
        return oldValue;
    }

• clear

//清楚集合，循环元素，将每个元素设置为null
public void clear() {
        modCount++;

        // clear to let GC do its work
        for (int i = 0; i < size; i++)
            elementData[i] = null;

        size = 0;
    }

总结

通过源码分析，ArrayList集合就是通过System.arraycopy方法将普通数组Object[]包装为一个动态数组，实现数组的增删改查。

• 优点
  1、修改元素和通过下标查询元素效率高
  2、集合是有顺序的
• 缺点
  1、删除元素效率低，因为要通过拷贝数组来实现
  2、大量新增效率低，因为大量新增的时候要不断进行扩容和数组的拷贝
  3、清除集合效率低，因为清除功能是通过循环数组进行清除的
  4、移除元素后，容量有大量剩余，需要手动调用trimToSize进行清理

其他

1、使用时候如果知道预期容量，建议设定容量，避免不断扩容影响效率。
2、建议改进清除操作，避免使用循环进行清除。

参考

• 百度百科 http://baike.baidu.com/link?url=Ff4TnTpO2FNkD2y4Z0VuM_caPtYUkV74O4f-rFnXB_kvu-KA8FlttknMy481CwO2XcN1nfhZHqk7UAnBKVMOgki5rB3WlfLvxZHuJktz8gu
• 由ArrayList构造函数源码引出的问题 http://www.cnblogs.com/zhizhizhiyuan/p/3662371.html

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