ArrayList源码解析(基于JDK1.7)

一、ArrayList简介

ArrayList是可以动态增长和缩减的索引序列，它是基于数组实现的List类。ArrayList的用法和Vector向类似，但是Vector是一个较老的集合，具有很多缺点，不建议使用。另外，ArrayList和Vector的区别是：ArrayList是线程不安全的，当多条线程访问同一个ArrayList集合时，程序需要手动保证该集合的同步性，而Vector则是线程安全的。

ArrayList的声明如下：

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

与Collection关系如下图：



ArrayList的常用操作有：

ArrayList的创建：即构造器方法

往ArrayList中添加对象：即add(E)方法

获取ArrayList中的单个对象：即get(int index)方法

删除ArrayList中的对象：即remove(E)方法

遍历ArrayList中的对象：即iterator，在实际中更常用的是增强型的for循环去做遍历

判断对象是否存在于ArrayList中：即contain(E)方法

ArrayList中对象的排序：主要取决于所采取的排序算法

二、ArrayList的动态扩容

1、ArrayList的创建（指定大小和默认大小）

List<String> strList = new ArrayList<String>();
List<String> strList2 = new ArrayList<String>(2);

下面来看一下ArrayList源代码：

基本属性：

//序列化和反序列化时比较的标号
private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;

//对象数组：ArrayList的底层数据结构，注意是Object类型
private transient Object[] elementData;

//elementData中已存放的元素的个数，注意：size不是elementData的容量，其容量是ArrayList初始化时指定的。
private int size;

注意到elementData被transient关键字修饰，那么该关键字有什么作用呢？

在采用Java默认的序列化机制的时候，被transient关键字修饰的属性不会被序列化。上面的elementData属性采用了transient来修饰，表明其不使用Java默认的序列化机制来实例化，但是该属性是ArrayList的底层数据结构，在网络传输中一定需要将其序列化，之后使用的时候还需要反序列化，那不采用Java默认的序列化机制，那采用什么呢？直接翻到源码的最下边有两个方法，发现ArrayList自己实现了序列化和反序列化的方法，如下：

/**
* Save the state of the <tt>ArrayList</tt> instance to a stream (that is,
* serialize it).
*
* @serialData The length of the array backing the <tt>ArrayList</tt>
*             instance is emitted (int), followed by all of its elements
*             (each an <tt>Object</tt>) in the proper order.
*/
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 array length
s.writeInt(elementData.length);

// 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();
}

}

/**
* Reconstitute the <tt>ArrayList</tt> instance from a stream (that is,
* deserialize it).
*/
private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
// Read in size, and any hidden stuff
s.defaultReadObject();

// Read in array length and allocate array
int arrayLength = s.readInt();
Object[] a = elementData = new Object[arrayLength];

// Read in all elements in the proper order.
for (int i = 0; i < size; i++)
a[i] = s.readObject();
}

构造方法

搞清楚了ArrayList的属性后，我们来看一下它的构造方法：

// ArrayList带容量大小的构造函数。
public ArrayList(int initialCapacity) {
super();
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
initialCapacity);
this.elementData = new Object[initialCapacity];
}

//ArrayList无参数构造参数，默认容量10
public ArrayList() {
super();
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}

// 创建一个包含collection的ArrayList
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
elementData = c.toArray(); //调用toArray()方法把collection转换成数组
size = elementData.length; //把数组的长度赋值给ArrayList的size属性
// c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
if (elementData.getClass() != Object[].class)
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
}

注意：

上边参构造器的super()方法是ArrayList父类AbstractList的构造方法，这个构造方法如下，是一个空构造方法：

protected AbstractList() {
}

在实际使用中，我们尽量一次性初始化ArrayList的合适大小来满足要求。如果初始过大会浪费空间，初始过小又会导致中途扩容，从而性能下降。

EMPTY_ELEMENTDATA的定义如下：

private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

在JDK1.6中无参数的构造方法是：

// ArrayList无参构造函数。默认容量是10。
public ArrayList() {
this(10);
}

在1.7前，会默认在内存中直接分配10个空间，但是在1.7有了改变，会先在内存中分配一个对象的内存空间，但是这个对象是没有长度的（空的）。但是在你进行添加的时候，默认的会去拿对象的默认大小来作比较。

2、ArrayList的add（E e）方法

add（E e）的方法简单来讲就是：

1、确保数组容量，其中就包括是否扩容然后将数组整个复制。同时modCount(用来记录集合被修改的次数)值加一

2、将元素添加到数组中

其源码如下：

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

ensureCapacityInternal从字面上理解就是确保内部容量，其源码如下：

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
if (elementData == EMPTY_ELEMENTDATA) {//未指定初始容量
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);//DEFAULT_CAPACITY为10
}

ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}

这里的DEFAULT_CAPACITY等于10。AarryList在用无参的构造方法创建时，是没有为里面的数组成员分配空间的，只有在进行add操作后才会分配空间，并会和10比较。再调用ensureExplicitCapacity来分配具体的空间。这样在第一次add时会直接分配10个空间。

ensureExplicitCapacity的源码如下：

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
modCount++;

// 容量不够，需要扩容
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}

对于未指定初始容量的ArrayList，在第一次add操作时，

elementData.length

的值是0。grow方法的源码如下：

private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
private void grow(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length;
//首先得到数组的旧容量，然后进行oldCapacity + (oldCapacity >> 1)，将oldCapacity 右移一位，其效果相当于oldCapacity /2，整句的结果就是设置新数组的容量扩展为原来数组的1.5倍
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
if (newCapacity - minCapacity < 0)//这个if只在初次分配10个空间时执行。
newCapacity = minCapacity;
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)//判断有没超过最大限制，如果超出限制则调用hugeCapacity
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
//将原来数组的值copy新数组中去， ArrayList的引用指向新数组
//这里会新创建数组，如果数据量很大，重复的创建的数组，那么还是会影响效率，
//因此鼓励在合适的时候通过构造方法指定默认的capaticy大小
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

newCapacity代表具体扩容成多大。第4行就相当于

int newCapacity=oldCapacity+ordCapacity/2

（大约1.5倍）。用移位操作可以在数组容量大时节省点时间。

hugeCapacity的源码如下：

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

关于Arrays.copyOf方法其实就是调用的System.arraycopy，而后者又是加了native关键字，底层应该是c++之类的语言去实现整个数组的复制。设计上面，Arrays.copyOf分了一个泛型方法和一个专门处理基本类型如int、float的方法。

在明确数组大小时可以调用ensureCapacity手动为其扩容，来减少扩容的次数。

public void ensureCapacity(int minCapacity) {
int minExpand = (elementData != EMPTY_ELEMENTDATA)? 0: DEFAULT_CAPACITY;

if (minCapacity > minExpand) {
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
}

看一下JDK1.6的动态扩容的实现原理：

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);
}
}

从代码上，我们可以看出区别：

第一：在容量进行扩展的时候，其实例如整除运算将容量扩展为原来的1.5倍加1，而jdk1.7是利用位运算，从效率上，jdk1.7就要快于jdk1.6。

第二：在算出newCapacity时，其没有和ArrayList所定义的

MAX_ARRAY_SIZE

作比较，为什么没有进行比较呢，原因是jdk1.6没有定义这个

MAX_ARRAY_SIZE

最大容量，也就是说，其没有最大容量限制的，但是jdk1.7做了一个改进，进行了容量限制。

3、ArrayList的add(int index, E element)方法

add(int index, E element)的主要操作如下：

1、判断插入位置是否合法

2、确保数组容量，其中就包括是否扩容然后将数组整个复制。同时modCount(用来记录集合被修改的次数)值加一。

3、插入位置后的元素整体向后移一个单位。

4、将元素放到指定位置。

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++;
}

三、ArrayList的源码解析

//继承AbstractList，支持泛型
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;

//默认初始化大小
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

//空表
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

//内部实现为数组
private transient Object[] elementData;

//元素数目
private int size;

//初始化一个initialCapacity大小的ArrayList
public ArrayList(int initialCapacity) {
super();//父类的构造函数本身没做什么事情
if (initialCapacity < 0)//检查是否合法
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
initialCapacity);
this.elementData = new Object[initialCapacity];
}

//初始化一个空的ArrayList
public ArrayList() {
super();
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;//数组为空
}

//按c里面的元素来初始化一个ArrayList
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
//c中的元素转换为数组,elementData的类型为Object[],此处不需要类型转换
elementData = c.toArray();
size = elementData.length;
if (elementData.getClass() != Object[].class)//确保elementData数组是object类型
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
}

　　//相当于压缩ArrayList，比如ArrayList有10个空间，现在只存储了5个元素，
　　//通过该方法将ArrayList的空间变为5个
public void trimToSize() {
modCount++;//修改次数+1
if (size < elementData.length) {
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);
}
}

//申请minCapacity个空间
public void ensureCapacity(int minCapacity) {
//获取表默认的初始容量,空表为0，其他的默认为DEFAULT_CAPACITY
int minExpand = (elementData != EMPTY_ELEMENTDATA)? 0: DEFAULT_CAPACITY;
//只有minCapacity大于默认初始容量，才申请新的大小的空间
if (minCapacity > minExpand) {
ensureExplicitCapacity(minCapacity);//执行扩容
}
}
//申请minCapacity个空间
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
if (elementData == EMPTY_ELEMENTDATA) {
//minCapacity取DEFAULT_CAPACITY和minCapacity的最大值
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}

ensureExplicitCapacity(minCapacity);//执行扩容
}
//执行扩容，容量为minCapacity
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
modCount++;//修改次数+1

//只有minCapacity大于默认初始容量，才执行扩容
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);//执行扩容,容量为minCapacity
}

//JVM支持大小为MAX_ARRAY_SIZE容量的数组
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

//执行扩容
private void grow(int minCapacity) {
//记录老的容量值
int oldCapacity = elementData.length;
//新的容量按老容量的1.5倍来扩容
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
if (newCapacity - minCapacity < 0)
//如果申请的容量比目前容量的1.5倍还要大
newCapacity = minCapacity;
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
//增加新的空间，新增加空间的长度为newCapacity,原有的元素放到新空间的前面
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

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

//返回元素数目
public int size() {
return size;
}

//判断ArrayList是否为空
public boolean isEmpty() {
return size == 0;
}

//判断是否包含值为o的元数
public boolean contains(Object o) {
return indexOf(o) >= 0;
}

//定位第一个值为o的元素
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;
}

//定位最后一个值为o的元素
public int lastIndexOf(Object o) {
if (o == null) {
for (int i = size-1; i >= 0; i--)
if (elementData[i]==null)
return i;
} else {
for (int i = size-1; i >= 0; i--)
if (o.equals(elementData[i]))
return i;
}
return -1;
}

//执行浅拷贝
public Object clone() {
try {
@SuppressWarnings("unchecked")
ArrayList<E> v = (ArrayList<E>) super.clone();
//只执行数组中的引用拷贝，引用指向的内存一致
v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);
v.modCount = 0;
return v;
} catch (CloneNotSupportedException e) {
throw new InternalError();
}
}

//转换为数组
public Object[] toArray() {
return Arrays.copyOf(elementData, size);
}

//转换为a类型的数组
@SuppressWarnings("unchecked")
public <T> T[] toArray(T[] a) {
if (a.length < size)
// Make a new array of a's runtime type, but my contents:
return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass());
System.arraycopy(elementData, 0, a, 0, size);
if (a.length > size)
a[size] = null;
return a;
}

//定位第index个元素
@SuppressWarnings("unchecked")
E elementData(int index) {
return (E) elementData[index];//O(1)操作
}

//获取第index个元素
public E get(int index) {
rangeCheck(index);

return elementData(index);
}

//设置第index个元素的值为element
public E set(int index, E element) {
rangeCheck(index);

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

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

//第index个位置添加元素element
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++;
}

//删除第index个元素
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;
}

//删除值为o的第一个元素
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;
}

//快速删除第index个元素，即不返回删除的元素值
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; // clear to let GC do its work
}

//将ArrayList置空
public void clear() {
modCount++;

//保证GC可以工作
for (int i = 0; i < size; i++)
elementData[i] = null;

size = 0;
}

//将c里面的所有元素都添加到当前表的尾部
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;
}

//将c里面的所有元素都添加到第index个位置之后
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
rangeCheckForAdd(index);

Object[] a = c.toArray();
int numNew = a.length;
ensureCapacityInternal(size + numNew);  // Increments modCount

int numMoved = size - index;
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew,
numMoved);//执行拷贝

System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);
size += numNew;
return numNew != 0;
}

//删除formIndex和toIndex之间的元素
protected void removeRange(int fromIndex, int toIndex) {
modCount++;
int numMoved = size - toIndex;
System.arraycopy(elementData, toIndex, elementData, fromIndex,
numMoved);

// clear to let GC do its work
int newSize = size - (toIndex-fromIndex);
for (int i = newSize; i < size; i++) {
elementData[i] = null;
}
size = newSize;
}

//index范围检查
private void rangeCheck(int index) {
if (index >= size)
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}

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

private String outOfBoundsMsg(int index) {
return "Index: "+index+", Size: "+size;
}

//删除所有c里面不包含的元素
public boolean removeAll(Collection<?> c) {
return batchRemove(c, false);
}

//删除所有c里面包含的元素
public boolean retainAll(Collection<?> c) {
return batchRemove(c, true);
}
//执行批量删除
private boolean batchRemove(Collection<?> c, boolean complement) {
final Object[] elementData = this.elementData;
int r = 0, w = 0;
boolean modified = false;
try {
for (; r < size; r++)
if (c.contains(elementData[r]) == complement)
elementData[w++] = elementData[r];
} finally {
// Preserve behavioral compatibility with AbstractCollection,
// even if c.contains() throws.
if (r != size) {
System.arraycopy(elementData, r,
elementData, w,
size - r);
w += size - r;
}
if (w != size) {
// clear to let GC do its work
for (int i = w; i < size; i++)
elementData[i] = null;
modCount += size - w;
size = w;
modified = true;
}
}
return modified;
}

//序列化
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();
}
}

//反序列化
private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;

// Read in size, and any hidden stuff
s.defaultReadObject();

// Read in capacity
s.readInt(); // ignored

if (size > 0) {
// be like clone(), allocate array based upon size not capacity
ensureCapacityInternal(size);

Object[] a = elementData;
// Read in all elements in the proper order.
for (int i=0; i<size; i++) {
a[i] = s.readObject();
}
}
}

//返回一个从index开始的双向迭代器
public ListIterator<E> listIterator(int index) {
if (index < 0 || index > size)
throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index);
return new ListItr(index);
}

//返回一个双向迭代器
public ListIterator<E> listIterator() {
return new ListItr(0);
}

//返回迭代器
public Iterator<E> iterator() {
return new Itr();
}

//私有内部类，从第0个元素开始的单向迭代器
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;

public boolean hasNext() {
return cursor != size;
}

@SuppressWarnings("unchecked")
public E next() {
checkForComodification();
int i = cursor;
if (i >= size)
throw new NoSuchElementException();
Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
if (i >= elementData.length)
throw new ConcurrentModificationException();
cursor = i + 1;
return (E) elementData[lastRet = i];
}

public void remove() {
if (lastRet < 0)
throw new IllegalStateException();
checkForComodification();

try {
ArrayList.this.remove(lastRet);
cursor = lastRet;
lastRet = -1;
expectedModCount = modCount;
} catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}

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

//私有内部类，从第index元素开始的双向迭代器
private class ListItr extends Itr implements ListIterator<E> {
ListItr(int index) {
super();
cursor = index;
}

public boolean hasPrevious() {
return cursor != 0;
}

public int nextIndex() {
return cursor;
}

public int previousIndex() {
return cursor - 1;
}

@SuppressWarnings("unchecked")
public E previous() {
checkForComodification();
int i = cursor - 1;
if (i < 0)
throw new NoSuchElementException();
Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
if (i >= elementData.length)
throw new ConcurrentModificationException();
cursor = i;
return (E) elementData[lastRet = i];
}

public void set(E e) {
if (lastRet < 0)
throw new IllegalStateException();
checkForComodification();

try {
ArrayList.this.set(lastRet, e);
} catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}

public void add(E e) {
checkForComodification();

try {
int i = cursor;
ArrayList.this.add(i, e);
cursor = i + 1;
lastRet = -1;
expectedModCount = modCount;
} catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
}

}  

四、LinkedList和ArrayList的对比

1、顺序插入速度ArrayList会比较快，因为ArrayList是基于数组实现的，数组是事先new好的，只要往指定位置塞一个数据就好了；LinkedList则不同，每次顺序插入的时候LinkedList将new一个对象出来，如果对象比较大，那么new的时间势必会长一点，再加上一些引用赋值的操作，所以顺序插入LinkedList必然慢于ArrayList

2、基于上一点，因为LinkedList里面不仅维护了待插入的元素，还维护了Entry的前置Entry和后继Entry，如果一个LinkedList中的Entry非常多，那么LinkedList将比ArrayList更耗费一些内存

3、ArrayList使用for循环遍历快，因为是通过数组索引直接遍历，每次get的时间复杂度为O(1)。LinkedList使用foreach循环遍历快，因为使用普通for循环会每次从前一个节点拿后一个节点地址，相当于从头遍历一遍，每次get的时间复杂度为O(N)。