ArrayList详解-源码分析

1. 概述

在平时的开发中，用到最多的集合应该就是ArrayList了，本篇文章将结合源代码来学习ArrayList。

ArrayList是基于数组实现的集合列表
支持任意性的访问（可根据索引直接得到你想要的元素）
线程不安全
支持动态扩容
查询快，增删慢
...

这些大家应该都很清楚，下面根据源代码来深入分析一下ArrayList。

2. ArrayList类声明

源代码如下所示：

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable

初步分析：

ArrayList类继承于AbstractList抽象类
ArrayList类实现了List、RandomAccess、Cloneable、Serializable接口

继续分析一下：

AbstractList抽象类其实已经实现了Collection接口中大部分方法
实现了RandomAccess接口，所以支持任意性访问（随机访问）
实现了Cloneable接口，说明重写了 clone()方法，支持拷贝（Cloneable 接口只是个合法调用 clone() 的标识（marker-interface)，一个对象想调用clone()方法，则该类必须实现Cloneable 接口，否则会报错 CloneNotSupportedException ）
实现了Serializable接口，支持序列化操作

3. 成员变量

源代码如下所示：

    private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;
    /**
     * Default initial capacity.
     */
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
    /**
     * 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 = {};
    /**
     * The array buffer into which the elements of the ArrayList are stored.
     * The capacity of the ArrayList is the length of this array buffer. Any
     * empty ArrayList with elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
     * will be expanded to DEFAULT_CAPACITY when the first element is added.
     */
    transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
    private int size;

初步思考：

一共有6个变量，各自的作用？
有两个空数组，只是命名不一样，为什么？

继续分析：

各个变量的作用：
- serialVersionUID：序列化版本号
- DEFAULT_CAPACITY：默认容量大小
- EMPTY_ELEMENTDATA：空数组时的引用
- DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA：初始化时默认的空数组
- elementData：实际存储集合元素的数组
- size：实际元素的数量（int类型默认值为0）
两个空数组：
- 分别用于默认初始化和传入容量时的初始化

4. 构造方法

源代码如下所示：

    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;
    }
    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;
        }
    }

初步思考：

提供了三个构造方法
分别对应无参构造、指定集合容量的构造以及通过Collection的子类来构造一个ArrayList对象

继续分析：

无参构造：
- 直接将DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA的空数组赋值给elementData（注意：此时ArrayList的数组长度还是0）
指定容量构造：
- 参数大于0：创建一个该参数大小的数组，赋值给elementData
- 参数等于0：将成员变量EMPTY_ELEMENTDATA数组赋值给elementData
- 参数小于0：抛出异常

传入Collection子类对象构造：

    public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
        /**
        *将传入的集合转换为一个Object类型的数组，并将此数组的引用赋给elementData
        */
        elementData = c.toArray();
        if ((size = elementData.length) != 0) {// 转换后的数组不为空时
            /**
            * 判断转换后的数组是不是Object[]数组
            * 如果不是的话，就把它复制为一个Object[]数组，进行赋值
            */
            if (elementData.getClass() != Object[].class)
                elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
        } else {
            // 转换后的数组为空，用成员变量EMPTY_ELEMENTDATA来辅助
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        }
    }

toArray()方法源代码如下:

public Object[] toArray() {
        return Arrays.copyOf(elementData, size);
    }

Arrays类的copyOf()方法源代码如下：

 @SuppressWarnings("unchecked")
    public static <T> T[] copyOf(T[] original, int newLength) {
        // 此处的copyOf()调用了本类的重载方法
        return (T[]) copyOf(original, newLength, original.getClass());
    }

重载方法源代码如下所示：

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;
    }

代码分析：

使用三元运算符进行判断传入数组的类型
如果传入的数组类型强转为Object[]数组为true，则创建一个Object[newLength]数组赋值给copy
如果为false，则利用反射获取到传入数组的类型，创建一个该类型的指定长度的数组赋值给copy

调用native方法进行赋值

最后返回copy

调用链最后调用到了native方法上：

public static native void arraycopy(Object src,  int  srcPos,Object dest, int destPos,
                                        int length);
/**
* 参数说明：
* src：源对象
* srcPos：源数组中的起始位置
* dest：目标数组对象
* destPos：目标数据中的起始位置
* length：要拷贝的数组元素的数量
*/

源代码中最后都调用到了native方法，只能看到方法名和参数，看不到具体的实现，对native方法做个简单的介绍吧。

native声明的接口方法： Java代码和本地C代码进行互操作的API，称为Java Native Interface (Java本地接口)。也就是说，带有native标记的方法，都是使用C语言来实现的，读者了解到这里即可，感兴趣的可以去查阅下相关资料，这里就不多阐述了。

5. 常用方法分析

add(E e)

源代码如下所示：

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

初步分析：

调用一个ensureCapacityInternal()方法，ensure Capacity Internal 直接谷歌翻译，意思是确保内部容量，此方法内应该就隐藏着ArrayList动态扩容的方法了！
将传入参数e，赋值给elementData[]数组中下标为size++的元素
返回true

继续跟踪ensureCapacityInternal()方法，该方法相关源代码如下所示：

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

分析：

先对elementData数组进行空数组判断，注意：这里是直接使用 ==运算符来进行判断的，回顾下前面讲到的ArrayList的无参构造方法

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

发现了没？如果使用默认的构造方法，调用的是DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA空数组，执行add()方法之前，ArrayList数组的长度都是零，添加第一个元素后，数组的长度就变为10了。

下一个方法是ensureExplicitCapacity()，我们继续跟踪。

该方法源代码如下所示：

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

初步分析：

出现了一个前面没看到的变量modCount
里面还有一个grow()方法，ArrayList能够动态扩容的原因就在这个方法里面了，八九不离十了！grow这个单词我还是认识的，哈哈哈~~~

继续分析：

经过追踪，发现modCount是ArrayList 的父类AbstractList的一个成员变量，作用是记录ArrayList的size变化，添加元素时，该变量会自增一次。
minCapacity变量是要添加元素在elementData数组里的索引，当该变量值超过elementData数组长度的时候，elementData数组就要进行动态扩容了！

接下来，看下grow()方法的源代码，马上就要揭开ArrayList能够动态扩容的根本原因了，想想还有些激动，哈哈~

 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);
    }

分析：

将当前未添加新元素的elementData的数组长度赋值给oldCapacity变量，表示旧数组的容量
定义一个变量newCapacity，表示新数组的容量，新数组的容量大小为旧数组容量的1.5倍
- 此处用到了移位操作，>>是移位运算符，表示带符号数右移
- 向右移动n位，等同于除以2的n次方
此处需要注意一个地方，如果oldCapacity + (oldCapacity >> 1)执行的结果超过了int的最大值，即2的31次方减1，那么新数组的长度将变为负数
下面就是比较新数组容量和旧数组的容量，将较大的容量赋值给新数组
如果新数组的容量大小超过了定义的MAX_ARRAY_SIZE大小，那么将调用hugeCapacity()方法

代码如下：

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

传入的容量是负数，考虑到了数值溢出，抛出异常
传入的容量超过了MAX_ARRAY_SIZE大小，则将Integer.MAX_VALUE的值进行返回，否则返回MAX_ARRAY_SIZE

最后调用Arrays.copyOf()方法，将旧数组复制到新数组中，至此便完成了数组的动态扩容

add(int index, E element)

源代码如下所示：

    public void add(int index, E element) {
        rangeCheckForAdd(index);
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                         size - index);
        elementData[index] = element;
        size++;
    }

基于add()方法的分析，分析如下：

判断索引是否越界
复制数组，进行移动
将传入参数赋值给指定下标的数组元素
集合长度加1

rangeCheckForAdd()方法源代码如下所示：

private void rangeCheckForAdd(int index) {
        if (index > size || index < 0)
            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
    }

分析如下：

索引的上限是实际元素的长度，下限是0
超过这两个边界值就会抛出异常

注意：由于此处判断范围上限取的实际元素的个数，那么就会造成一个情况，我们使用指定容量的构造方法，创建了一个ArrayList对象，然后使用add（int index, E element）方法时，当添加的index不是0时，就会报错

举例如下：

public static void main(String[] args) {
		List<String> a = new ArrayList<>(12);// 初始化指定了数组的容量为12
		a.add(5, "element");
	}
//结果如下：
//  Exception in thread "main" java.lang.IndexOutOfBoundsException: Index: 5, Size: 0
//	 at java.util.ArrayList.rangeCheckForAdd(ArrayList.java:661)
//	 at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:473)
//	 at test.TestAddArrayList.main(TestAddArrayList.java:11)

get(int index)

源代码如下所示：

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];
    }

简要分析：

首先判断索引是否在正确的范围之内，此处仅仅只是判断了上限为实际元素个数
- 超过上限时的报错提示信息为 "Index: "+index+", Size: "+size
- 当index为负数时的报错提示信息则是：index，仅仅只是显示你访问的index值
调用elementData()方法，直接返回对应索引位置的元素

remove(int index)

源代码如下所示：

    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;
    }

分析：

首先对index进行判断是否在正确的范围内
移除元素使得数组长度发生了变化，所以modCount++
计算需要移动的元素个数
调用arraycopy()方法进行数组元素的复制和移动
将数组实际长度的最后一位元素赋值为null，方便GC进行回收
最后返回索引位置的元素

不难看出，移除元素实际上也是数组的复制和移动。

indexOf(Object o)

源码如下所示：

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;
    }

indexOf方法是返回某元素在ArrayList对象里的下标（索引）。

分析：

区分两种情况
查询元素为null时，使用==运算符进行判断，返回索引
非null元素时，使用equals()方法来判断（ps:由此处调用的equals()方法，可以看出为什么不支持基本类型的元素）
当查询的元素不存在列表中，返回-1

ArrayList中还有很多方法，篇幅有限，在此不再赘述。

6. 总结

ArrayList是开发中用的最多了一个集合类了，很多时候我们只是停留在使用上面，没有深入的去学习，分析，为什么是这样？为什么会这样？有时候遇到问题了，也只能两眼一抹黑，不知道具体原因是什么，多看源码，多学习，提高解决问题的能力，一点点的进步，就好。