「必知必会」最细致的 ArrayList 原理分析

从今天开始也正式开 JDK 原理分析的坑了，其实写源码分析的目的不再是像以前一样搞懂原理，更重要的是看看他们编码风格更进一步体会到他们的设计思想。看源码前先自己实现一个再比对也许会有不一样的收获！

1. 结构

首先我们需要对 ArrayList 有一个大致的了解就从结构来看看吧.

1. 继承

该类继承自 AbstractList 这个比较好说

2. 实现

这个类实现的接口比较多，具体如下：

首先这个类是一个 List 自然有 List 接口
然后由于这个类需要进行随机访问，所谓随机访问就是用下标任一访问，所以实现了RandomAccess
然后就是两个集合框架肯定会实现的两个接口 Cloneable, Serializable 前面这个好说序列化一会我们具体再说说

3. 主要字段

    // 默认大小为10
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
    // 空数组
    private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
    // 默认的空数组  这个是在传入无参的是构造函数会调用的待会再 add 方法中会看到
    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
    // 用来存放 ArrayList 中的元素 注意他的修饰符是一个 transient 也就是不会自动序列化
    transient Object[] elementData;
    // 大小
    private int size;

4. 主要方法

下面的方法后面标有数字的就是表示重载方法

ctor-3
get
set
add-2
remove-2
clear
addAll
write/readObject
fast-fail 机制
subList
iterator
forEach
sort
removeIf

2. 构造方法分析

1. 无参的构造方法

里面只有一个操作就是把 elementData 设置为 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 这个空数组。

// 无参的构造函数，传入一个空数组  这时候会创建一个大小为10的数组，具体操作在 add 中
    public ArrayList() {
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }

2. 传入数组大小的构造

这个就是 new 一个数组，如果数组大小为0就赋值为 EMPTY_ELEMENTDATA

// 按传入的参数创建新的底层数组
    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);
        }
    }

3. 传入 Collection 接口

在这个方法里面主要就是把这个 Collection 转成一个数组，然后把这个数组 copy 一下，如果这个接口的 size 为0 和上面那个方法一样传入 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)
            // 上面的注释的意思是说 jdk 有一个 bug 具体来说就是一个 Object 类型的数组不一定能够存放 Object类型的对象，有可能抛异常
            // 主要是因为 Object 类型的数组可能指向的是他的子类的数组，存 Object 类型的东西会报错
            if (elementData.getClass() != Object[].class)
                // 这个操作是首先new 了新的数组，然后再调用 System.arraycopy 拷贝值。也就是产生新的数组
                elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
        } else {
            // 传入的是空的就直接使用空数组初始化
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        }
    }

但是注意一点这里有一个 jdk 的 bug 也就是一个 Object 类型的数组不一定能够存放 Object类型的对象，有可能抛异常，主要是因为 Object 类型的数组可能指向的是他的子类的数组，存 Object 类型的东西会报错。为了测试这个 bug 写了几行代码测试一下。这个测试是通不过的，就是存在上面的原因。

一个典型的例子就是我们创建一个 string 类型的 list 然后调用 toArray 方法发现返回的是一个 string[] 这时候自然就不能随便存放元素了。

class A{
}
class B extends A {
}
public class JDKBug {
    @Test
    public void test1() {
        B[] arrB = new B[10];
        A[] arrA = arrB;
        arrA[0]=new A();
    }
}

3. 修改方法分析

1. Set 方法

这个方法也很简单，首先进行范围判断，然后就是直接更新下标即可。

    // 也没啥好说的就是，设置新值返回老值
    public E set(int index, E element) {
        rangeCheck(index);
        E oldValue = elementData(index);
        elementData[index] = element;
        return oldValue;
    }

2. Add(E e) 方法

这个方法首先调用了 ensureCapacityInternal() 这个方法里面就判断了当前的 elementData 是否等于 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 如果是的话，就把数组的大小设置为 10 然后进行扩容操作,这里刚好解释了为什么采用无参构造的List 的大小是 10 ，这里扩容操作调用的方法是 ensureExplicitCapacity 里面就干了一件事如果用户指定的大小大于当前长度就扩容，扩容的方法采用了 Arrays.copy 方法，这个方法实现原理是 new 出一个新的数组，然后调用 System.arraycopy 拷贝数组，最后返回新的数组。

    public boolean add(E e) {
        // 当调用了无参构造，设置大小为10
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }
    private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        // 如果当前数组是默认空数组就设置为 10和 size+1中的最小值
        // 这也就是说为什么说无参构造 new 的数组大小是 10
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
            minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }
        ensureExplicitCapacity(minCapacity);
    }
    private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        modCount++;
        // 若用户指定的最小容量 > 最小扩充容量，则以用户指定的为准，否则还是 10
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
    }
    private void grow(int minCapacity) {
        // overflow-conscious code
        int oldCapacity = elementData.length;
        // 1.5倍增长
        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);
    }

3. Add(int index, E e) 方法

这个方法比较简单和上面基本一样，然后只是最后放元素的时候的操作不一样，他是采用了 System.arraycopy 从自己向自己拷贝，目的就在于覆盖元素。注意一个规律这里面只要涉及下标的操作的很多不是自己手写 for 循环而是采用类似的拷贝覆盖的方法。算是一个小技巧。

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

4. remove(int index)

同理这里面还是用了拷贝覆盖的技巧。但是有一点注意的就是不用的节点需要手动的触发 gc ，这也是在 Efftive Java 中作者举的一个例子。

public E remove(int index) {
        rangeCheck(index);
        modCount++;
        E oldValue = elementData(index);
        int numMoved = size - index - 1;
        //覆盖
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                             numMoved);
        elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
        return oldValue;
    }

5. remove(E e)

这个方法操作很显然会判断 e 是不是 null 如果是 null 的话直接采用 == 比较，否则的话就直接调用 equals 方法然后执行拷贝覆盖。

public boolean remove(Object o) {
        if (o == null) {
            for (int index = 0; index < size; index++)
                if (elementData[index] == null) {
                    // 覆盖
                    fastRemove(index);
                    return true;
                }
        } else {
            for (int index = 0; index < size; index++)
                // 调用 equals 方法
                if (o.equals(elementData[index])) {
                    fastRemove(index);
                    return true;
                }
        }
        return false;
    }

6. clear()

这个方法就干了一件事，把数组中的引用全都设置为 null 以便 gc 。而不是仅仅把 size 设置为 0 。

// gc 所有节点
    public void clear() {
        modCount++;
        // clear to let GC do its work
        for (int i = 0; i < size; i++)
            elementData[i] = null;
        size = 0;
    }

7. addAll(Collection e)

这个没啥好说的就是，采用转数组然后 copy

    // 一个套路 只要涉及到 Collection接口的方法都是把这个接口转成一个数组然后对数组操作
    public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
        Object[] a = c.toArray();
        int numNew = a.length;
        ensureCapacityInternal(size + numNew);  // Increments modCount
        System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
        size += numNew;
        return numNew != 0;
    }

4. 访问方法分析

1. get

直接访问数组下标。

    // 没啥好说的直接去找数组下标
    public E get(int index) {
        rangeCheck(index);
        return elementData(index);
    }

2. subList

这个方法的实现比较有意思，他不是直接截取一个新的 List 返回，而是在这个类的内部还有一个 subList 的内部类，然后这个类就记录了 subList 的开始结束下标，然后返回的是这个 subList 对象。你可能会想返回的 subList 他不是 List 不会有问题吗，这里这个 subList 是继承的 AbstractList 所以还是正确的。

public List<E> subList(int fromIndex, int toIndex) {
        subListRangeCheck(fromIndex, toIndex, size);
        return new SubList(this, 0, fromIndex, toIndex);
    }
    // subList 返回的是一个位置标记实例，就是在原来的数组上放了一些标志，没有修改或者拷贝新的空间
private class SubList extends AbstractList<E> implements RandomAccess {
        private final AbstractList<E> parent;
        private final int parentOffset;
        private final int offset;
        int size;
        // other functions .....
     }

5. 其他功能方法

1. write/readObject

前面在介绍数据域的时候我就有标注 elementData 是一个 transition 的变量也就是在自动序列化的时候会忽略这个字段。

然后我们又在源码中找到到了 write/readObject 方法，这两个方法是用来序列化 elementData 中的每一个元素，也就是手动的对这个字段进行序列化和反序列化。这不是多此一举吗？

既然要将ArrayList的字段序列化（即将elementData序列化），那为什么又要用transient修饰elementData呢？

回想ArrayList的自动扩容机制，elementData数组相当于容器，当容器不足时就会再扩充容量，但是容器的容量往往都是大于或者等于ArrayList所存元素的个数。

比如，现在实际有了8个元素，那么elementData数组的容量可能是8x1.5=12，如果直接序列化elementData数组，那么就会浪费4个元素的空间，特别是当元素个数非常多时，这种浪费是非常不合算的。

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。

private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
        throws java.io.IOException{
        // Write out element count, and any hidden stuff
        int expectedModCount = modCount;
        s.defaultWriteObject();
        // Write out size as capacity for behavioural compatibility with clone()
        s.writeInt(size);
        // Write out all elements in the proper order.
        for (int i=0; i<size; i++) {
            s.writeObject(elementData[i]);
        }
        if (modCount != expectedModCount) {
            throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }

2. fast-fail

所谓的 fast-fail 就是在我们进行 iterator 遍历的时候不允许调用 Collection 接口的方法进行对容器修改，否则就会抛异常。这个实现的机制是在 iterator 中维护了两个变量，分别是 modCount 和 expectedModCount 由于 Collection 接口的方法在每次修改操作的时候都会对 modCount++ 所以如果在 iterator 中检测到他们不相等的时候就抛异常。

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

3. forEach

这个是一个函数式编程的方法，看看他的参数 forEach(Consumer<? super E> action) 很有意思里面接受是一个函数式的接口，我们里面回调了 Consumer 的 accept 所以我们只需要传入一个函数接口就能对每一个元素处理。

    @Override
    public void forEach(Consumer<? super E> action) {
        Objects.requireNonNull(action);
        final int expectedModCount = modCount;
        @SuppressWarnings("unchecked")
        final E[] elementData = (E[]) this.elementData;
        final int size = this.size;
        for (int i=0; modCount == expectedModCount && i < size; i++) {
            //回调
            action.accept(elementData[i]);
        }
        if (modCount != expectedModCount) {
            throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }

写了一段测试代码，但是这个方法不常用，主要是 Collection 是可以自己生成 Stream 对象，然后调用上面的方法即可。这里提一下。

public class ArrayListTest {
    @Test
    public void foreach() {
        ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();
        list.add(2);
        list.add(1);
        list.add(4);
        list.add(6);
        list.forEach(System.out::print);  //打印每一次元素。
    }
}

4. sort

底层调用了 Arrays.sort 方法没什么好说的。

public void sort(Comparator<? super E> c) {
        final int expectedModCount = modCount;
        Arrays.sort((E[]) elementData, 0, size, c);
        if (modCount != expectedModCount) {
            throw new ConcurrentModificationException();
        }
        modCount++;
    }

5. removeIf

这个和 forEach 差不多，就是回调写好了。

6. Vector

以上基本是把 ArrayList 的重要的方法和属性介绍完了，我们已经比较清楚他底层的实现和数据结构了。然后提到 ArrayList 自然也少不了一个比较古老的容器 Vector 这个容器真的和 ArrayList 太像了。因为你会发现他们连继承和实现的接口都是一样的。但是也会有一些不同的地方，下面分条介绍一下。

在 Vector 中基本所有的方法都是 synchronized 的方法，所以说他是线程安全的 ArrayList
构造方法不一样，在属性中没有两个比较特殊的常量，所以说他的构造方法直接初始化一个容量为 10 的数组。然后他有四个构造方法。
遍历的接口不一样。他还是有 iterator 的但是他以前的遍历的方法是 Enumeration 接口，通过 elements 获取 Enumeration 然后使用 hasMoreElements 和 nextElement 获取元素。
缺少一些函数式编程的方法。