一天一个数据结构之ArrayList

1.ArrayList追根溯源

ArrayList基本是我们在开发过程中最常用的一个类了。

大家基本常用的方法有add(),addAll(),get(),remove(),size()或者有的还会用到iterator()。

这些方法的实现与内部原理究竟是什么，相信有很多开发者和我一样都没有去深入研究过。那么现在我们来深入研究一下ArrayList的实现原理吧。

首先我们先看一下ArrayList的类图



可以看到一个大概的关系图，了解ArrayList大概是怎么个实现。

我们进入源码：我们看到ArrayList属于java.util包下，java.util包提供了一系列工具类



然后可以看到ArrayList继承自AbstractList，并实现了Cloneable，Serializable,RandomAccess接口，而且ArrayList本身是支持泛型。



AbstractList继承自AbstractCollection，并实现了List接口。



先看AbstractCollection，可以看到它实现了Collection接口。



然后回头看，AbstractList在继承AbstractCollection抽象类的同时还实现了List接口，而我们平常使用ArrayList的时候，声明的又是List。

那我们就来看一看List接口是什么。



发现，List原来继承自Collection接口，然后AbstractCollection又实现了Collection接口。(java中接口可以继承接口，也可以继承多个接口，class不能继承接口，不能继承多个类，但是可以实现多个接口)。

看到这里，会有些奇怪。AbstractList为什么继承自一个实现了Collection接口的抽象类，然后又要实现一个继承了Collection接口的接口呢？是不是很绕口，哈哈，我自己都要晕了。

在这里就先卖个关子，留着这个疑问跟我们继续往下看吧。

从前面看来，Collection接口应该最顶层的了。那我们就来看Collection接口。



Collection接口还有个父接口Iterable



我们来看它的方法：

Iterator iterrator();

这个方法是不是很熟悉？迭代器啊！我们用这个方法来迭代ArrayList中的元素。

list list = new ArrayList();

l.add("aa");

l.add("bb");

l.add("cc");

for (Iterator iter = l.iterator(); iter.hasNext();) {

String str = (String)iter.next();

System.out.println(str);

}

/*迭代器用于while循环

Iterator iter = l.iterator();

while(iter.hasNext()){

String str = (String) iter.next();

System.out.println(str);

}

可以看到，都是通过iterator方法返回了一个Iterator对象。

我们来看看Iterator对象到底是个什么？



Iterator也是一个接口，含有hasNext(),next(),remove()方法。我们在前面看到的代码中看到调用ArrayList的iterator()方法，以及Iterator接口的具体实现，我们在后面会讲到。

2.ArrayList深度剖析

1.Collection

前面说到了Collection接口是继承自Iterable接口。那么我们看下Collection的具体实现。



我们可以看到第一个红框中圆形的图标中间一个I。这表示Collection是一个接口。

然后在第二个红框中看到了我们在Iterable接口中看到的iterator()方法。因为Collection也是一个接口，并继承自Iterable，所有，继承的方法只能也是接口方法。

然后我们可以看看Collection接口中的方法，是不是有很多都是我们使用ArrayList的时候常用的。

比如: add()、addAll()、clear()、remove()等。基本也可以说明，我们ArrayList所使用的方法都是实现自Collection的了。

2.AbstractCollection

然后我们接着往下看，看实现了Collection接口的类AbstractCollection的具体实现。



1.还是看左上角第一个红框中的小原标。里面是个C，表示这是一个类(class),然后小原标右上角有一个大写字母A。表示这个类是一个abstract方法。

2.我们主要关注下add()、iterator()、size()方法的实现。



咦，add方法直接抛出一个UnsupportedOperationException异常。看到这里一下子懵逼了。那这样我们每次调用arraylist的的时候，不就都会抛出异常了吗？但是我们每次调用又都是好使的。好吧，这里再卖一个关子，你可以记录一下我们卖的关子，到后面的point自然会有答案的噢。

然后看一下iterator()方法。



还是没有实现，然后变成一个abstract方法了，这也说明了在AbstractCollection的子类，如果不是抽象类，那就必须的实现这个方法了。

最后看一下size()方法。



好吧，还是抽象方法。

基于篇幅原因，我们不能每个接口都介绍到，只能大概介绍一些常用的。如果有兴趣可以按照我的分析思路，选择自己感兴趣的去研究。

3.AbstractList

我们继续，前面讲了，AbstractList不仅继承了AbstractCollecttion抽象类，还同时实现了List接口，而且List接口还是Collection接口的子接口。

还记得我们在前面留的第一个疑问吗？

为什么AbstractList为什么要实现List接口呢？

我们可以看看List接口。



是不是比它的父接口Collection多了很多方法？而且很多方法都是我们在ArraryList集合中常用的。

比如：

add(int,E)，指定插入元素的位置。

get(int)，获取指定位置的元素。

remove(int)，删除指定位置的元素。

等等。。

到这里，有种豁然开朗的感觉，为什么AbstractList在继承了AbstractCollection抽象类之后，还要实现List接口呢？

恩，因为Collection只是最基础的集合接口。List接口继承Collection接口的同时，又扩展了方法，形成我们常用的List接口，然后List接口也就是我们平常用的List集合类框架的顶层接口。

所以在我们平常使用时，基于多态、动态版定、里氏代换等原理原则。在声明变量时，声明的是List，然后实例化ArrayList。

接下来我们来看AbstractList的具体实现，然后重点关注一下List接口的方法实现。

对于List接口的实现，我们就暂时先只关注:add(int,E)，get(int),remove(int)这三个方法和add(E)这个List接口和AbstractCollection都有的方法。

1.add(int,E)



可以看到，方法里面又是直接抛出了一个UnsupprtedOperationException异常。又？我为什么要说又？

原来是前面在看AbstractCollection抽象类的add(E)方法的时候，这个方法也是直接抛出了这个异常。在这里，我还是不能告诉你为什么，不要打我，带着疑问继续往下看吧。嘿嘿。

2.get(int)



好嘛，又是一个抽象方法，说明在非抽象类的子类中必须要实现此方法，从前面我们对ArrayList追根溯源的时候可以看到，AbstractList的子类就是ArrayList了，所以ArrayList中，一定存在了很多不可告人的秘密！

3.remove(int)



看到这里，请让我去哭一会儿。。 我就什么都不说了，只能央求你继续带着悬念看下去了。

4.add(E)



先看注释，表示这个方法是添加个指定对象到集合的尾部。

然后我们看方法内部，调用了List接口的方法add(int,E)。

在前面，我们看到了add(int,E)方法是直接抛出了异常，看到这里，悬念更深了，为什么都是直接抛出异常呢？我们平常调用也是没有问题呀。恩，悬念即将揭晓，请看下一部分。

4.ArrayList

终于走到了我们的目标ArrayList。

带着前面的疑问，我们来看ArrayList源码。



对ArrayList构造函数里的代码，基于篇幅原因，这里就不详细讲了，3个构造函数都是做的创建array数组。

1.add(E)



还记得我们在前面ArrayList的父类AbstractList中看到的add(E)方法吗？AbstractList中的add(E)方法是调用了它的add(int,E)方法，而add(int,E)方法是直接抛出了一个UnsupprtedOperationException异常。





这里有个比较重要的思想就是方法的重写(override)，是java面向对象编程中多态的表现，子类可以重写父类的方法以达到子类的目的，然后我们来看ArrayList的add(E)方法。

解析这个方法的内容有点长，这里放一个流程图，如果流程图能看懂，就可以直接略过下面的文字解析。



文字解析：

我们看方法内部首先声明了一个局部Object数组变量，然后将一个全局的array变量赋值给它，我们看看array变量是在哪里声明的。



我们看到，是在代码第62行声明的一个用transient关键字修饰的Object数组。

继续看方法的代码，声明了一个int 变量s，并将size赋值给它，由字面来看，size应该是我们list的长度了，口说无凭，继续看代码。



果然size是list的长度，接着往下看，判断当前记录的集合的size是不是等于array数组对象的length实际长度。

然后我们会看到下面这段代码，



当记录的size等于数组对象a的实际length，表示数组已满，此时新建一个数组对象newArray。

然后指定newArray数组的长度，长度是由一个3元运算符计算出来的。

s + (s < MIN_CAPACITY_INCREMENT) / 2 ？ MIN_CAPACIT_INCREMENT : s >> 1)

。

其中，MIN_CAPACITY_INCREAMENT是ArrayList默认的初始长度，长度为12。



所以，这里的增加容量的具体含义是：

每次需要增加容量的时候，如果当前数组记录的长度小于12的一半(也就是6)，那么新的对象数组长度为原本数组的元素个数s加上12，整个新对象数组的长度约为原先长度的1.5倍。

如果当前数组记录的长度s大于12的一半，则扩容后的数组长度为原本记录数组长度s加上s右移一位的值,而每当一个数的值右移一位，右移之后的值就为原先值的一半。也就是s + s/2 = 1.5s，新对象数组的长度也是原对象长度的1.5倍。

可以得出结论，每次只要是数组需要扩容，扩容的容量都是原容量的1.5倍。这样既不会因为容量扩容的太小导致频繁扩容，频繁进行后一步的数组的复制操作，也不会因为扩容的太多，导致有很多的空闲内存被占用。

然后调用System.arraycopy()方法，将旧的数组的全部数据复制到newArray数组中去并将新的数组对象newArray的引用指向全局array和局部数组对象a。

最后，将要被添加的参数object添加进数组中的最后一位，然后将size的值加一，最后将modCount值加一。

但是在ArrayList中并没有找到modCount的值，ctrl 加 左键点击modCount，发现是ArrayList的父类AbastractList中声明的。



注释表示，这是记录list修改次数的一个变量。至于为什么要记录，暂时先将它放到一边，暂时不考虑(其实是我还没有注意到。。。)。

2.add(int,E)

然后我们来看add(int,E)方法。



从注释可以看到，第一个参数 index是要被插入的对象的索引位置，也就是这个对象要插入到数组中的位置。

首先，还是在方法内部声明了一个数组对象 a,并将全局的数组对象array的引用指向a。

然后将全局的数组长度size赋值给局部int变量s。

判断要插入的位置是否超出了当前数组的长度，或者要插入的位置是否小于0(最小的位置就是0，不能为负数)。

然后判断当前记录的数组长度s是否小于当前数组的实际长度，如果小于，则表示当前记录的数组的长度可能是有错误的。

那么执行一次数组拷贝，将数组a从index开始的内容，拷贝到a从index + 1开始的内容，拷贝长度为 s - index。

看到这里是不是有点蒙？

我们画个图来捋一捋思路。



可以看到，这行代码是数组a复制内容到数组a自己。

我们假设数组当前有5条记录5,3,1,4,2。然后size记录的数组的长度却是4。当前插入数据的索引值index为2。

从图中可以看到，我们是把从index开始的a[2],a[3]复制到 index+1的 a[3],a[4]处。

最后，数组的实际值应该为{5,3,1,1,4}。

看到这里是不是有点疑问，多了一个1，然后少了1个2，我们这么想，当数组a的实际长度为5的时候，当前缓存的长度却比实际的要小。说明缓存记录是有问题，然后此时又要进行一次add操作，那么为了不影响缓存记录和实际数组长度的冲突，只能将当前数组的最后一位放弃。然后中间圆圈中的多出来的一个1，刚好为后面要执行的add操作留出一个位置。

从代码可以看到，当执行完arraycopy方法后，是直接设置a[index]=object。是直接指定了数组下标的index索引进行赋值，而不是前面add(int)方法中赋值的是数组实际长度的索引值(索引值总是比实际长度小一位，所以设置数组实际长度的值，也就是添加一个新值)。然后再给s加一位，现在s就是5了，就和数组a的实际长度一致了。按照这个思路，只要当前缓存的size小于实际数组的长度，每次都会将数组的最后一位给抛弃，然后当新添加一个值后将size加一，来不断地追加size的值直到size等于数组的实际长度。

3.get(int)方法



从代码可以看到，先判断index的值是否大于等于当前数组记录的size，如果大于等于，那么就抛出一个数组越界的异常。

如果index正常，则从数组中获取下标为index的结果返回。

4.iterator()



我们可以看到，ArrayList重写了AbstractList的iterator方法，在方法内部创建了一个匿名内部类 ArrayListIterator对象并返回，从截图中也可以看到ArrayListIterator实现了Iterator接口。

然后我们来看ArrayListIterator是怎么实现Iterator接口的，先看ArrayListIterator的一些内部属性。



声明了remaining，removalIndex，ecpectedModCount。

hasNext()方法。



判断remaining是否为0，如果为0说明是没有可迭代的元素了，就返回false表示没有下一个元素。反之为true。

然后next()方法。



从我们看的这几个常用方法，可以知道ArrayList的内部其实是由一个数组来控制的，我们的增加、删除都是操作的数组，所以才叫Array的List。

后记：

从这篇分析我们知道了ArrayList是基于内部的Object数组来实现的，也通过分析内部实现，了解了ArrayList的优缺点。

优点：

1.查询速度快，基于数组下标。

缺点：

1.因为是基于数组的，数组又是不能动态增加的。所以，每次增加元素到一定层度，

就必须要进行一次扩容，而且基本上当前数组的长度默认为元素实际长度的1.5倍。这都会造成内存的开销。

2.add数据或者remove数据，都是执行了复制数组的操作，如果频繁执行，也会有性能的影响。