ArrayList源码学习

1、ArrayList：基于数据实现，允许出现空值和重复元素，当ArrayList中添加的元素数量大于底层数组容量是，会通过扩容机制重新生成一个更大的数组。（非线程安全）

2、源码分析

构造函数

    /**
     * 初始化容量
     */
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
　　//有参构造函数时使用，当初始化容量=0时，默认是一个空数组
    private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
　　//无参构造时默认空数组
    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
　　//ArrayList中基础的数组对象
    transient Object[] elementData;
　　//数组大小
    private int size;
　　//指定容量的构造函数
    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);
        }
    }
　　//无参构造
    public ArrayList() {
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }

　　//Collection类型的集合 ， 集合为空时，ArrayList默认空数组
    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;
        }
    }

插入：

public boolean add(E e) {
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!! 检测是否需要扩容
        elementData[size++] = e; //将新增的元素添加到数组的末尾
        return true;
}
　　//在指定索引础添加新的元素
    public void add(int index, E element) {
        rangeCheckForAdd(index); //检测给出的索引是否合法

        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!! 检测是否需要扩容
　　　　　//将index和之后的元素整体向后移动一位
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                         size - index);
　　　　　//上一步移动后 index位置的元素和index+1位置的元素相同（index+1位置的元素就是未移动之前的index位置的元素），将新元素插入到index位置
        elementData[index] = element;
        size++;
    }

　　//计算容量
    private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
            return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }
        return minCapacity;
    }
　　//检测是否需要扩容
    private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
    }
　　//扩容
    private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        modCount++;

        // overflow-conscious code
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
    }

对于在元素序列尾部插入，这种情况比较简单，只需两个步骤即可：

1. 检测数组是否有足够的空间插入
2. 将新元素插入至序列尾部

如下图：

如果是在元素序列指定位置（假设该位置合理）插入，则情况稍微复杂一点，需要三个步骤：

1. 检测数组是否有足够的空间
2. 将 index 及其之后的所有元素向后移一位
3. 将新元素插入至 index 处

如下图：

从上图可以看出，将新元素插入至序列指定位置，需要先将该位置及其之后的元素都向后移动一位，为新元素腾出位置。这个操作的时间复杂度为O(N)，频繁移动元素可能会导致效率问题，特别是集合中元素数量较多时。在日常开发中，若非所需，我们应当尽量避免在大集合中调用第二个插入方法。

扩容：（扩容比例  原数组大小的1.5倍）

   private void grow(int minCapacity) {
        // overflow-conscious code
        int oldCapacity = elementData.length;
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);  //原数组大小的1.5倍
        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: 新容量计算出来之后 复制原数组中的元素到新数组中
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);//方法内部会新建一个newCapacity大小的新数组  然后调用System.arrcopy()方法进行复制
    }

    private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
        if (minCapacity < 0) // overflow
            throw new OutOfMemoryError();
        return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
            Integer.MAX_VALUE :
            MAX_ARRAY_SIZE;
    }

删除：

　　//删除指定索引的元素
　　public E remove(int index) {
        rangeCheck(index);//校验index是否合法

        modCount++;//该字段存储arraylist的修改次数
        E oldValue = elementData(index);//暂存要删除索引位置的元素

        int numMoved = size - index - 1;//index位置到数组最后的长度 为了system.arraycopy复制方法使用，将index+1位置和之后的元素 整体向前移动一位
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                             numMoved);
        elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work 将数组中最后位置置空

        return oldValue;
    }

　　//删除指定元素 （删除ArrayList中索引最小的指定元素）
   public boolean remove(Object o) {
　　　　　//元素为空的话 循环删除ArrayList中索引最小的null值
        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;
    }

　　//同remove（index）方法
   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; // clear to let GC do its work
    }

上面的删除方法并不复杂，这里以第一个删除方法为例，删除一个元素步骤如下：

1. 获取指定位置 index 处的元素值
2. 将 index + 1 及之后的元素向前移动一位
3. 将最后一个元素置空，并将 size 值减 1
4. 返回被删除值，完成删除操作

如下图：

上面就是删除指定位置元素的分析，并不是很复杂。

特殊情况：

往ArrayList中插入大量的元素，然后又删除很多元素，此时ArrayList底层的数组占用了很多空间没有释放，因为ArrayList没有自动缩容机制，导致底层空间不能被释放，造成浪费

此时调用ArrayList的方法：

//size ArrayList的大小   elementData底层数组的长度
public void trimToSize() {
        modCount++;
        if (size < elementData.length) {//如果size小于elementData  代表数组中空着很多位置，需要进行缩容
            elementData = (size == 0) //size == 0时代表，ArrayList中没有元素，可以将element置为空数组
              ? EMPTY_ELEMENTDATA
              : Arrays.copyOf(elementData, size);
        }
    }

通过上面的方法，我们可以手动触发 ArrayList 的缩容机制。这样就可以释放多余的空间，提高空间利用率。

遍历：

ArrayList 实现了 RandomAccess 接口（该接口是个标志性接口），表明它具有随机访问的能力。ArrayList 底层基于数组实现，所以它可在常数阶的时间内完成随机访问，效率很高。对 ArrayList 进行遍历时，一般情况下，我们喜欢使用 foreach 循环遍历，但这并不是推荐的遍历方式。ArrayList 具有随机访问的能力，如果在一些效率要求比较高的场景下，更推荐下面这种方式：

for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
    list.get(i);
}

至于原因也不难理解，foreach 最终会被转换成迭代器遍历的形式，效率不如上面的遍历方式

判断ArrayList是否有指定元素：

　　//有指定元素返回true  也就是indexOf（）方法返回值大于等于0
　　public boolean contains(Object o) {
        return indexOf(o) >= 0;
    }

   //类似remove和fastremove方法
    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;
    }

清空ArrayList：

　　//地层elementData中的元素全部置null  size（ArrayList）长度置0
　　public void clear() {
        modCount++;
　　　　　　
        // clear to let GC do its work
        for (int i = 0; i < size; i++)
            elementData[i] = null;

        size = 0;
    }

其他：

关于遍历时删除

遍历时删除是一个不正确的操作，即使有时候代码不出现异常，但执行逻辑也会出现问题。关于这个问题，阿里巴巴 Java 开发手册里也有所提及。这里引用一下：

【强制】不要在 foreach 循环里进行元素的 remove/add 操作。remove 元素请使用 Iterator 方式，如果并发操作，需要对 Iterator 对象加锁。

相关代码（稍作修改）如下：

List<String> a = new ArrayList<String>();
    a.add("1");
    a.add("2");
    for (String temp : a) {
        System.out.println(temp);
        if("1".equals(temp)){
            a.remove(temp);
        }
    }
}

相信有些朋友应该看过这个，并且也执行过上面的程序。上面的程序执行起来不会虽不会出现异常，但代码执行逻辑上却有问题，只不过这个问题隐藏的比较深。我们把 temp 变量打印出来，会发现只打印了数字1，2没打印出来。初看这个执行结果确实很让人诧异，不明原因。如果死抠上面的代码，我们很难找出原因，此时需要稍微转换一下思路。我们都知道 Java 中的 foreach 是个语法糖，编译成字节码后会被转成用迭代器遍历的方式。所以我们可以把上面的代码转换一下，等价于下面形式：

List<String> a = new ArrayList<>();
a.add("1");
a.add("2");
Iterator<String> it = a.iterator();
while (it.hasNext()) {
    String temp = it.next();
    System.out.println("temp: " + temp);
    if("1".equals(temp)){
        a.remove(temp);
    }
}

这个时候，我们再去分析一下 ArrayList 的迭代器源码就能找出原因。

private class Itr implements Iterator<E> {
    int cursor;       // index of next element to return
    int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such
    int expectedModCount = modCount;

    public boolean hasNext() {
        return cursor != size;
    }

    @SuppressWarnings("unchecked")
    public E next() {
        // 并发修改检测，检测不通过则抛出异常
        checkForComodification();
        int i = cursor;
        if (i >= size)
            throw new NoSuchElementException();
        Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
        if (i >= elementData.length)
            throw new ConcurrentModificationException();
        cursor = i + 1;
        return (E) elementData[lastRet = i];
    }

    final void checkForComodification() {
        if (modCount != expectedModCount)
            throw new ConcurrentModificationException();
    }

    // 省略不相关的代码
}

我们一步一步执行一下上面的代码，第一次进入 while 循环时，一切正常，元素 1 也被删除了。但删除元素 1 后，就无法再进入 while 循环，此时 it.hasNext() 为 false。原因是删除元素 1 后，元素计数器 size = 1，而迭代器中的 cursor 也等于 1，从而导致 it.hasNext() 返回false。归根结底，上面的代码段没抛异常的原因是，循环提前结束，导致 next 方法没有机会抛异常。不信的话，大家可以把代码稍微修改一下，即可发现问题：

List<String> a = new ArrayList<>();
a.add("1");
a.add("2");
a.add("3");
Iterator<String> it = a.iterator();
while (it.hasNext()) {
    String temp = it.next();
    System.out.println("temp: " + temp);
    if("1".equals(temp)){
        a.remove(temp);
    }
}

以上是关于遍历时删除的分析，在日常开发中，我们要避免上面的做法。正确的做法使用迭代器提供的删除方法，而不是直接删除。

本文内容引自：该博客  建议读原博客