Java数据结构——ArrayList简介

ArrayList是Java中最基础的数据结构之一，即顺序表。本篇文章将从源码角度简单介绍ArrayList的基本实现原理。

（本文内容中涉及的源码使用JDK1.6版本，在高版JDK中可能源码做了简单调整，但数据结构的实现机制依然是一样的）

顺序表，顾名思义，是一个有序的数组。数据按顺序在内存中存储，这样的数据结构利于快速的查找，但在数组中间插入或删除数据会导致整个数组发生变动。

ArrayList类中，核心变量有两个：

private transient Object[] elementData;

存储数据的数组，ArrayList存储能力取决于此数组总长度（注：transient修饰词指此变量不会被序列化）

private transient Object[] elementData;

ArrayList的真实长度，即其中存放的数据个数

ArrayList共有3个构造方法：

public ArrayList() {
this(10);
}

默认构造方法，10为默认的初始长度

public ArrayList(int initialCapacity) {
super();
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
initialCapacity);
this.elementData = new Object[initialCapacity];
}

使用此构造方法，可以为ArrayList指定一个初始长度。

当你已知数据长度超过10时候，使用此方法可以减少ArrayList扩容次数。

当初始值小于0时候，会抛出异常。

public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
elementData = c.toArray();
size = elementData.length;
// c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
if (elementData.getClass() != Object[].class)
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
}

当你已经有一个ArrayList时候，使用此方法形成一个新的ArrayList。注释的意思是，此处的toArray方法可能会错误地没有返回一个Object类型数组，因此在下面进行判断，若不是，则转为Object类型数组。

ArrayList中最常用的方法包括：add、set、get、remove，这些方法可能有不同的参数而形成了多个重载函数。

add方法：

public boolean add(E e)
public void add(int index, E element)

第一个方法：

public boolean add(E e) {
ensureCapacity(size + 1); 
elementData[size++] = e;
return true;
    }

首先，此方法调用了ensureCapacity方法，它的意思是，如果当数组容量不足的时候，需要扩充容量（后面会介绍）。之后只要简单的将新的数据添加到数组中即可。

注意，此方法一定返回true。

第二个方法：

public void add(int index, E element) {
if (index > size || index < 0)
throw new IndexOutOfBoundsException(
"Index: "+index+", Size: "+size);

ensureCapacity(size+1);
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
size - index);
elementData[index] = element;
size++;
}

此方法中，指定了插入数据的位置。首先对index进行判断，当其值为负或大于当前数组长度时候，会抛出异常。（数组中最后一个数据的位置对应的是size-1）。

当index合法时候，判断是否需要扩容，之后将执行arraycopy这个方法，此方法是个native方法（由C语言封装），它的意思是将elementData这个数组中从index开始的数据复制到从index+1开始（相当于从index开始后移一位）。

当我执行add(2, 10)的时候，数组会发生如下变动：如图：

原数组	23	24	25	26	1	2	13
位移后	23	24	25	25	26	1	2	13
完成	23	24	10	25	26	1	2	13

由此可见，数组发生了较大的变动，index后面的数据全部平移了1位。因此如果数据大量插入，会耗费一定时间。

set方法：

public E set(int index, E element)

set只有一个方法，即修改index的值为element。

它的实现：

public E set(int index, E element) {
RangeCheck(index);

E oldValue = (E) elementData[index];
elementData[index] = element;
return oldValue;
    }

RangeCheck方法即监测index是否越界（后面会介绍）。之后只要将对应位置数据修改了即可。此方法会返回oldValue，即原来index位置的值

get方法：

public E get(int index)

get只有一个方法，即获取index位置的值。

public E get(int index) {
RangeCheck(index);

return (E) elementData[index];
}

很简单，只是返回这个值即可。当然，也是要先经过RangeCheck，看index是否越界。

remove方法：

public E remove(int index)
public boolean remove(Object o)

第一个方法：

public E remove(int index) {
RangeCheck(index);

modCount++;
E oldValue = (E) elementData[index];

int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
numMoved);
elementData[--size] = null;

return oldValue;
}

凡是方法中参数涉及index，都要经过RangeCheck判断是否越界。

此方法中有一个值为modCount，这是父类中的一个值，具体作用下面会介绍。

remove方法核心就是，根据index取得这个原先的值，然后将其删除。删除的本质是通过移动表来实现的，同样使用到了arraycopy这个方法。

举例：

当我执行remove(2)的时候，数组会发生如下变动：如图：

原数组	23	24	25	26	1	2	13
位移后	23	24	26	1	2	13	13
完成	23	24	26	1	2	13	置空

numMoved表示如果我删除的是数组中的最后一个值，直接置空即可，不需要移动数据。

删除同样可能导致数据的移动，因此大量删除操作会耗费一定时间。

第二个方法：

public boolean remove(Object o) {
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;
}

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;
}

另一个remove方法是根据值去删除数据，先遍历查到要删除的值的index，然后调用fastRemove方法删除，可以看到，fastRemove就是remove第一个方法中的一部分，通过移动数组来删除数据，和上面是完全一样的。

除了上述的基本方法外，ArrayList还有一些其他常用方法，如：

public boolean addAll(Collection<? extends E> c)
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c)
public List<E> subList(int fromIndex, int toIndex)

addAll方法主要使用arraycopy实现，arraycopy具体内容上面已有介绍。

subList方法是ArrayList的父类AbstractList中的内部类方法，具体实现并不复杂，因此不再多说，有兴趣可以去看一看。

下面补充一下上面涉及到的一些方法和变量的介绍。

1、ensureCapacity

2、RangeCheck

3、modCount

public void ensureCapacity(int minCapacity) {
modCount++;
int oldCapacity = elementData.length;
if (minCapacity > oldCapacity) {
Object oldData[] = elementData;
int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1;
if (newCapacity < minCapacity)
newCapacity = minCapacity;
// minCapacity is usually close to size, so this is a win:
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
}

ensureCapacity，从名字上就可以看出，此方法是确认空间是否足够，即是否越界。

首先获取数组长度，之后判断传入的参数minCapacity是否大于数组长度，如果大于的话，将计算新的长度，是old * 3 / 2 + 1；即原来的1.5倍+1的，如果变化后的值依然较小，即将新长度设置为minCapacity。

随后执行copyOf方法生成一个新的组数，此数组长度为newCapacity，并将之前elementData中的值复制到其中，这样来完成扩容。

private void RangeCheck(int index) {
if (index >= size)
throw new IndexOutOfBoundsException(
"Index: "+index+", Size: "+size);
}

RangeCheck方法较为简单，只是比较index和size的值的关系，如果index大于了当前值，那么抛出越界异常。

modCount

这个是一个较为重要的值。它字面意思为modify count，即修改次数。

当数组进行了诸如添加、删除之类的操作，此值会变化。

那么问题是，它到底有什么用？

我们知道ArrayList有一种foreach的循环方式：

for (Integer i : list) {

}

如果在迭代过程中，进行对ArrayList的修改操作，如add remove等，那么将报出ConcurrentModificationExceptions

这个异常的意思是同时进行迭代和修改而抛出的异常。它的大致原因是，在迭代时候，修改数据导致ArrayList长度发生了变化，因此在check时候会抛出这个异常。此处暂时不对具体源码进行分析。

如果需要在循环中删除某个元素，应当如下写法：

int i = 0;
while (i < list.size()) {
if (list.get(i) == 5) {
list.remove(i);
} else {
i++;
}
}