Java集合源码学习（二）ArrayList分析

1.关于ArrayList

ArrayList直接继承AbstractList，实现了List、 RandomAccess、Cloneable、Serializable接口，
为什么叫"ArrayList"，因为ArrayList内部是用一个数组存储元素值，相当于一个可变大小的数组，也就是动态数组。

（1）继承和实现
继承了AbstractList，实现了List：ArrayList是一个数组队列，提供了相关的添加、删除、修改、遍历等功能。
实现RandmoAccess接口：即提供了随机访问功能。RandmoAccess是java中用来被List实现，为List提供快速访问功能的在ArrayList中，我们即可以通过元素的序号快速获取元素对象；这就是快速随机访问。
实现了Cloneable接口：即覆盖了函数clone()，能被克隆。
实现java.io.Serializable接口：这意味着ArrayList支持序列化，能通过序列化去传输。

（2）线程安全
ArrayList中的操作不是线程安全的。建议在单线程中才使用ArrayList，而在多线程中可以选择Vector或者CopyOnWriteArrayList。

2.常用的方法

（1）方法说明
boolean add(E e)
将指定的元素添加到此列表的尾部。
void add(int index, E element)
将指定的元素插入此列表中的指定位置。
boolean addAll(Collection<? extends E> c)
按照指定 collection 的迭代器所返回的元素顺序，将该 collection 中的所有元素添加到此列表的尾部。
boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c)
从指定的位置开始，将指定 collection 中的所有元素插入到此列表中。
void clear()
移除此列表中的所有元素。
Object clone()
返回此 ArrayList 实例的浅表副本。
boolean contains(Object o)
如果此列表中包含指定的元素，则返回 true。
void ensureCapacity(int minCapacity)
如有必要，增加此 ArrayList 实例的容量，以确保它至少能够容纳最小容量参数所指定的元素数。
E get(int index)
返回此列表中指定位置上的元素。
int indexOf(Object o)
返回此列表中首次出现的指定元素的索引，或如果此列表不包含元素，则返回 -1。
boolean isEmpty()
如果此列表中没有元素，则返回 true
int lastIndexOf(Object o)
返回此列表中最后一次出现的指定元素的索引，或如果此列表不包含索引，则返回 -1。
E remove(int index)
移除此列表中指定位置上的元素。
boolean remove(Object o)
移除此列表中首次出现的指定元素（如果存在）。
protected void removeRange(int fromIndex, int toIndex)
移除列表中索引在 fromIndex（包括）和 toIndex（不包括）之间的所有元素。
E set(int index, E element)
用指定的元素替代此列表中指定位置上的元素。
int size()
返回此列表中的元素数。
Object[] toArray()
按适当顺序（从第一个到最后一个元素）返回包含此列表中所有元素的数组。
void trimToSize()
将此 ArrayList 实例的容量调整为列表的当前大小。应用程序可以使用此操作来最小化 ArrayList 实例的存储量。

（2）遍历方式
ArrayList支持3种遍历方式

1.通过迭代器遍历。即通过Iterator去遍历
2.随机访问，通过索引值去遍历，
ArrayList实现了RandomAccess接口，它支持通过索引值去随机访问元素
3.for循环遍历

下面比较这3种方式的效率，代码如下：

public static void main(String[] args){
		ArrayList<Object> list=new ArrayList<>();
		for(int i=0;i<10000;i++){
			list.add(i);
		}
		useIterator(list);
		useRandomAccess(list);
		useForeach(list);
	}

	public static void useIterator(List<Object> list){
		Long startTime = System.currentTimeMillis();
		Iterator iter = list.iterator();
		while (iter.hasNext()) {
		    iter.next();
		}
		System.out.println(System.currentTimeMillis()-startTime);
	}

    public static void useRandomAccess(List<Object> list){
    	Long startTime = System.currentTimeMillis();
    	for (int i=0; i<list.size(); i++) {
    		list.get(i);
    		}
		System.out.println(System.currentTimeMillis()-startTime);
	}

    public static void useForeach(List<Object> list){

    	Long startTime = System.currentTimeMillis();
    	for (Object obj:list) {
    		     ;
    	}
		System.out.println(System.currentTimeMillis()-startTime);
	}

输出结果没放，不过结论是遍历ArrayList时，使用随机访问(即通过索引序号访问)效率最高，而使用迭代器的效率相对较低。

3.源码分析

在几个常用的集合实现类中，ArrayList的实现代码是最短的，比较简单。
（1）构造方法
ArrayList提供了三个构造方法：

//初始默认大小为10

public ArrayList() {
this(10);
}

//可以直接设置ArrayLi的初始大小

public ArrayList(int i){
if (i < 0) {
throw new IllegalArgumentException((new StringBuilder())
.append("Illegal Capacity: ").append(i).toString());
} else {
elementData = new Object[i];
return;
}
}

//使用Collettion作为参数初始化

public ArrayList(Collection collection)
{
elementData = collection.toArray();
size = elementData.length;
if(((Object) (elementData)).getClass() != [Ljava/lang/Object;)
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, [Ljava/lang/Object;);
}；

一个是无参数的构造方法，另外一个是拥有单个参数（类型为Collettion）的构造方法。

ArrayList还提供了第三个构造方法，其接受一个int值，用于设置ArrayLi的初始大小（默认大小为10）。

（2）数据结构

private transient Object elementData[];
private int size;

ArrayList内部维护了一个Object数组，可以通过构造函数 ArrayList(int initialCapacity)来执行它的初始容量为initialCapacity；如果通过不含参数的构造函数ArrayList()来创建ArrayList，则elementData的容量默认是10。elementData数组的大小会根据ArrayList容量的增长而动态的增长，size 则是动态数组的实际大小。

（3）elementData[]为什么使用 transient 修饰？
被transient（）定义的变量不可序列化，但是注意ArrayList同时实现了Serializable接口接口，这是为什么?
主要是为了提高序列化时的效率。
序列化有2种方式：
1.只是实现了Serializable接口。
序列化时，调用java.io.ObjectOutputStream的defaultWriteObject方法，将对象序列化。
注意：此时transient修饰的字段，不会被序列化。
2.实现了Serializable接口，同时提供了writeObject方法。
序列化时，会调用该类的writeObject方法。而不是java.io.ObjectOutputStream的defaultWriteObject方法。
注意：此时transient修饰的字段，是否会被序列化，取决于writeObject。
假如现在实际有了5个元素，而elementData的大小可能是10，那么在序列化时只需要储存5个元素，数组中的最后五个元素是没有实际意义的，不需要储存。
所以ArrayList的设计者将elementData设计为transient，然后在writeObject方法中手动将其序列化，并且只序列化了实际存储的那些元素，而不是整个数组。

（4）源码注释

/**
	 * 使用一个Collection进行构造
	 * Arraylist中大量使用了Arrays的相关方法
	 */
	public ArrayList(Collection collection)
    {
        elementData = collection.toArray();
        size = elementData.length;
        if((Object) (elementData).getClass() != Object.class){
        	elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, (elementData).getClass());
        }
    }

	/**
	 * 如果当前数组的容量大于数组实际存储的数据元素数量，重新调整数组大小
	 * 用于把ArrayList的容量缩减到当前实际大小，减少存储容量。
	 * 其中的变量modCount由AbstracList继承而来，记录List发生结构化修改（structurally modified）的次数。
	 * @Title: trimToSize
	 */
	public void trimToSize() {
		modCount++;
		int i = elementData.length;
		if (size < i)
			elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);
	}

/**
	 * 确保ArrayList的大小
	 * @Title: ensureCapacity
	 * @param i
	 */
	public void ensureCapacity(int i) {
		modCount++;
		int j = elementData.length;
		if (i > j) {
			Object aobj[] = elementData;
			int k = (j * 3) / 2 + 1;
			if (k < i)
				k = i;
			elementData = Arrays.copyOf(elementData, k);
		}
	}

/**
	 * 返回指定元素的下标，要区分参数是否为null
	 * 注意ArrayList可以是可以存储null的
	 */
	public int indexOf(Object obj) {
		if (obj == null) {
			for (int i = 0; i < size; i++)
				if (elementData[i] == null)
					return i;

		} else {
			for (int j = 0; j < size; j++)
				if (obj.equals(elementData[j]))
					return j;

		}
		return -1;
	}
/**
	 * 使用了系统的System.arraycopy方法
	 * 这是一个native的方法
	 */
	public Object[] toArray(Object aobj[]) {
		if (aobj.length < size)
			return (Object[]) Arrays.copyOf(elementData, size,(aobj).getClass());
		System.arraycopy(((Object) (elementData)), 0, ((Object) (aobj)), 0,
				size);
		if (aobj.length > size)
			aobj[size] = null;
		return aobj;
	}

/**
	 * 和序列化以及transient的处理有关系
	 */
	private void writeObject(ObjectOutputStream objectoutputstream)
			throws IOException {
		int i = modCount;
		objectoutputstream.defaultWriteObject();
		objectoutputstream.writeInt(elementData.length);
		for (int j = 0; j < size; j++)
			objectoutputstream.writeObject(elementData[j]);

		if (modCount != i)
			throw new ConcurrentModificationException();
		else
			return;
	}

　　

4.总结

在Java中应用静态数组很容易发生一些错误，相比较来说，

ArrayList可以动态的增加和减少元素，灵活的设置数组的大小，提供了多种遍历方式，在设计时就尽可能的考虑了性能，大多数工程开发中数组都会使用ArrayList。