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Java集合之ArrayList源码分析

个人开发环境

java环境：Jdk1.8.0_60

编译器：IntelliJ IDEA 2017.1.4

源码连接：待整理

原文链接：https://juejin.im/post/5cb161b3e51d456e7c0cdad4#heading-16

（个人附加了英文注释，以及为了更好阅读调整了一下，英文不好趁看源码机会冲冲电，理解不当望大佬们指出，仅供个人学习总结使用，如有侵权，联删！！！）

UML图

源码解析

属性

/**
 * Default initial capacity.
 * 默认初始化容量为 10
 */
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

/**
 * Shared empty array instance used for empty instances.
 * 一个空数组，当用户指定该ArrayList为0时，返回该空数组
 */
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

/**
 * Shared empty array instance used for default sized empty instances.
 * We distinguish this from EMPTY_ELEMENTDATA to know how much to inflate when
 * first element is added.
 * 用户没有指定ArrayList的容量时（即调用无参构造函数），返回该数组，其容量为0，
 * 当用户第一次添加于元素时，该数组将会扩容，变成默认容量为10（使用 DEFAULT_CAPACITY）
 * <p>
 * EMPTY_ELEMENTDATA 和 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 区别:
 * EMPTY_ELEMENTDATA：new ArrayList<E>(0);
 * DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA：new ArrayList<E>();
 */
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

/**
 * The array buffer into which the elements of the ArrayList are stored.
 * The capacity of the ArrayList is the length of this array buffer. Any
 * empty ArrayList with elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
 * will be expanded to DEFAULT_CAPACITY when the first element is added.
 * <p>
 * 一个数组缓冲区，ArrayList基于该数组实现，ArrayList容量就是该数组的长度
 * 该值为DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA时，当第一次添加元素进入ArrayList中时，
 * 数组将扩容至 DEFAULT_CAPACITY = 10
 */
transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access

/**
 * The size of the ArrayList (the number of elements it contains).
 * ArrayList包含元素的个数
 */
private int size;

• DEFAULT_CAPACITY
  • 默认容量为10，也就是通过new ArrayList()创建时的默认容量。
    
• EMPTY_ELEMENTDATA
  • 空的数组，这种是通过new ArrayList(0)创建时用的是这个空数组。
    
• DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
  • 一个数组缓冲区，ArrayList基于该数组实现，ArrayList容量就是该数组的长度，该值为DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA时，当第一次添加元素进入ArrayList中时，数组将扩容至 DEFAULT_CAPACITY = 10
    
• elementData
  • 真正存放元素的地方，使用transient是为了不序列化这个字段。
    
• size
  • 真正存储元素的个数，而不是elementData数组的长度

ArrayList(int initialCapacity)构造方法

传入初始容量，如果大于0就初始化elementData为对应大小，如果等于0就使用EMPTY_ELEMENTDATA空数组，如果小于0抛出异常。

/**
 * Constructs an empty list with the specified initial capacity.
 * 创建一个指定容量的集合
 *
 * @param initialCapacity 初始容量
 * @throws IllegalArgumentException 当初始容量为负值时，抛出非法容量异常
 */
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);
    }
}

ArrayList()构造方法

不传初始容量，初始化为DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA空数组，会在添加第一个元素的时候扩容为默认的大小，DEFAULT_CAPACITY = 10。

/**
 * Constructs an empty list with an initial capacity of ten.
 * 默认空参构造函数：使用空数组DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
 * 使用这个数组是在添加第一个元素的时候会扩容到默认大小10
 */
public ArrayList() {
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

ArrayList(Collection<? extends E> c)构造方法

传入集合并初始化elementData，这里会使用拷贝把传入集合的元素拷贝到elementData数组中，如果元素个数为0，则初始化为EMPTY_ELEMENTDATA空数组。

/**
 * Constructs a list containing the elements of the specified
 * collection, in the order they are returned by the collection's
 * iterator.
 * 创建一个包含Collection的ArrayList
 *
 * @param c 将 collection 的元素存入到新建的ArrayList中
 * @throws NullPointerException 如果 c 为空 ，则抛出异常
 */
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
    // 将集合转换为Object[]数组
    elementData = c.toArray();
    // 将转换后的Object[]数组长度赋值给当前ArrayList的size，判断是否为0
    if ((size = elementData.length) != 0) {
        // c.toArray might (incorrectly) not return Object[]
        // 转换后的数组可能不会返回Object[]
        if (elementData.getClass() != Object[].class)
            // 若elementData不是Object[]类型，则复制指定数组内容，构造成大小为size的Object[]数组
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
    } else {
        // replace with empty array.
        // 替换为空数组
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
}

为什么c.toArray();返回的有可能不是Object[]类型呢？请看下面的代码：

public class ArrayTest {
    public static void main(String[] args) {
        Father[] fathers = new Son[]{};
        // 打印结果为class [Lcom.coolcoding.code.Son;
        System.out.println(fathers.getClass());

        List<String> strList = new MyList();
        // 打印结果为class [Ljava.lang.String;
        System.out.println(strList.toArray().getClass());
    }
}

class Father {}

class Son extends Father {}

class MyList extends ArrayList<String> {
    /**
     * 子类重写父类的方法，返回值可以不一样
     * 但这里只能用数组类型，换成Object就不行
     * 应该算是java本身的bug
     */
    @Override
    public String[] toArray() {
        // 为了方便举例直接写死
        return new String[]{"1", "2", "3"};
    }
}

add(E e)方法

添加元素到末尾，平均时间复杂度为O(1)。

public boolean add(E e) {
    // 检查是否需要扩容
    ensureCapacityInternal(size + 1);
    // 把元素插入到最后一位
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}

private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
    // 如果是空数组DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA，就初始化为默认大小10
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    return minCapacity;
}

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

    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        // 扩容
        grow(minCapacity);
}

private void grow(int minCapacity) {
    int oldCapacity = elementData.length;
    // 新容量为旧容量的1.5倍
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    // 如果新容量发现比需要的容量还小，则以需要的容量为准
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    // 如果新容量已经超过最大容量了，则使用最大容量
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    // 以新容量拷贝出来一个新数组
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

• add(E e)方法执行流程总结
  • 1）检查是否需要扩容；
  • 2）如果elementData等于DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA则初始化容量大小为DEFAULT_CAPACITY；
  • 3）新容量是老容量的1.5倍（oldCapacity + (oldCapacity >> 1)），如果加了这么多容量发现比需要的容量还小，则以需要的容量为准；
  • 4）创建新容量的数组并把老数组拷贝到新数组；

add(int index, E element)方法

添加元素到指定位置，平均时间复杂度为O(n)。

public void add(int index, E element) {
    // 检查是否越界
    rangeCheckForAdd(index);
    // 检查是否需要扩容
    ensureCapacityInternal(size + 1);
    // 将inex及其之后的元素往后挪一位，则index位置处就空出来了
    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                     size - index);
    // 将元素插入到index的位置
    elementData[index] = element;
    // 大小增1
    size++;
}

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

• add(int index, E element)方法执行流程总结

  • 1）检查索引是否越界；

  • 2）检查是否需要扩容；
  • 3）把插入索引位置后的元素都往后挪一位；
  • 4）在插入索引位置放置插入的元素；

  • 5）大小加1；

addAll(Collection<? extends E> c)方法

求两个集合的并集。

/**
* 将集合c中所有元素添加到当前ArrayList中
*/
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
    // 将集合c转为数组
    Object[] a = c.toArray();
    int numNew = a.length;
    // 检查是否需要扩容
    ensureCapacityInternal(size + numNew);
    // 将c中元素全部拷贝到数组的最后
    System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
    // 大小增加c的大小
    size += numNew;
    // 如果c不为空就返回true，否则返回false
    return numNew != 0;
}

• addAll(Collection<? extends E> c)方法执行流程总结
  • 1）拷贝c中的元素到数组a中；
  • 2）检查是否需要扩容；
  • 3）把数组a中的元素拷贝到elementData的尾部；

get(int index)方法

获取指定索引位置的元素，时间复杂度为O(1)。

public E get(int index) {
    // 检查是否越界
    rangeCheck(index);
    // 返回数组index位置的元素
    return elementData(index);
}

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

E elementData(int index) {
    return (E) elementData[index];
}

• get(int index)方法执行流程总结
  • 1）检查索引是否越界，这里只检查是否越上界，如果越上界抛出IndexOutOfBoundsException异常，如果越下界抛出的是ArrayIndexOutOfBoundsException异常。
  • 2）返回索引位置处的元素；

remove(int index)方法

删除指定索引位置的元素，时间复杂度为O(n)。

public E remove(int index) {
    // 检查是否越界
    rangeCheck(index);

    modCount++;
    // 获取index位置的元素
    E oldValue = elementData(index);
    
    // 如果index不是最后一位，则将index之后的元素往前挪一位
    int numMoved = size - index - 1;
    if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
    
    // 将最后一个元素删除，帮助GC
    elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work

    // 返回旧值
    return oldValue;
}

• remove(int index)方法执行流程总结
  • 1）检查索引是否越界；
  • 2）获取指定索引位置的元素；
  • 3）如果删除的不是最后一位，则其它元素往前移一位；
  • 4）将最后一位置为null，方便GC回收；
  • 5）返回删除的元素。

可以看到，ArrayList删除元素的时候并没有缩容。

remove(Object o)方法

删除指定元素值的元素，时间复杂度为O(n)。

public boolean remove(Object o) {
    if (o == null) {
        // 遍历整个数组，找到元素第一次出现的位置，并将其快速删除
        for (int index = 0; index < size; index++)
            // 如果要删除的元素为null，则以null进行比较，使用==
            if (elementData[index] == null) {
                fastRemove(index);
                return true;
            }
    } else {
        // 遍历整个数组，找到元素第一次出现的位置，并将其快速删除
        for (int index = 0; index < size; index++)
            // 如果要删除的元素不为null，则进行比较，使用equals()方法
            if (o.equals(elementData[index])) {
                fastRemove(index);
                return true;
            }
    }
    return false;
}

private void fastRemove(int index) {
    // 少了一个越界的检查
    modCount++;
    // 如果index不是最后一位，则将index之后的元素往前挪一位
    int numMoved = size - index - 1;
    if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
    // 将最后一个元素删除，帮助GC
    elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
}

• remove(Object o)方法

  • 1）找到第一个等于指定元素值的元素；
  • 2）快速删除；

fastRemove(int index)相对于remove(int index)少了检查索引越界的操作，可见jdk将性能优化到极致。

retainAll(Collection<?> c)方法

求两个集合的交集。

public boolean retainAll(Collection<?> c) {
    // 集合c不能为null
    Objects.requireNonNull(c);
    // 调用批量删除方法，这时complement传入true，表示删除不包含在c中的元素
    return batchRemove(c, true);
}

/**
* 批量删除元素
* complement为true表示删除c中不包含的元素
* complement为false表示删除c中包含的元素
*/
private boolean batchRemove(Collection<?> c, boolean complement) {
    final Object[] elementData = this.elementData;
    // 使用读写两个指针同时遍历数组
    // 读指针每次自增1，写指针放入元素的时候才加1
    // 这样不需要额外的空间，只需要在原有的数组上操作就可以了
    int r = 0, w = 0;
    boolean modified = false;
    try {
        // 遍历整个数组，如果c中包含该元素，则把该元素放到写指针的位置（以complement为准）
        for (; r < size; r++)
            if (c.contains(elementData[r]) == complement)
                elementData[w++] = elementData[r];
    } finally {
        // 正常来说r最后是等于size的，除非c.contains()抛出了异常
        if (r != size) {
            // 如果c.contains()抛出了异常，则把未读的元素都拷贝到写指针之后
            System.arraycopy(elementData, r,
                             elementData, w,
                             size - r);
            w += size - r;
        }
        if (w != size) {
            // 将写指针之后的元素置为空，帮助GC
            for (int i = w; i < size; i++)
                elementData[i] = null;
            modCount += size - w;
            // 新大小等于写指针的位置（因为每写一次写指针就加1，所以新大小正好等于写指针的位置）
            size = w;
            modified = true;
        }
    }
    // 有修改返回true
    return modified;
}

• retainAll(Collection<?> c)方法

  • 1）遍历elementData数组；
  • 2）如果元素在c中，则把这个元素添加到elementData数组的w位置并将w位置往后移一位；
  • 3）遍历完之后，w之前的元素都是两者共有的，w之后（包含）的元素不是两者共有的；
  • 4）将w之后（包含）的元素置为null，方便GC回收；

removeAll(Collection<?> c)

求两个集合的单方向差集，只保留当前集合中不在c中的元素，不保留在c中不在当前集体中的元素。

public boolean removeAll(Collection<?> c) {
    // 集合c不能为空
    Objects.requireNonNull(c);
    // 同样调用批量删除方法，这时complement传入false，表示删除包含在c中的元素
    return batchRemove(c, false);
}

与retainAll(Collection<?> c)方法类似，只是这里保留的是不在c中的元素。

总结

（1）ArrayList内部使用数组存储元素，当数组长度不够时进行扩容，每次加一半的空间，ArrayList不会进行缩容；

（2）ArrayList支持随机访问，通过索引访问元素极快，时间复杂度为O(1)；

（3）ArrayList添加元素到尾部极快，平均时间复杂度为O(1)；

（4）ArrayList添加元素到中间比较慢，因为要搬移元素，平均时间复杂度为O(n)；

（5）ArrayList从尾部删除元素极快，时间复杂度为O(1)；

（6）ArrayList从中间删除元素比较慢，因为要搬移元素，平均时间复杂度为O(n)；

（7）ArrayList支持求并集，调用addAll(Collection<? extends E> c)方法即可；

（8）ArrayList支持求交集，调用retainAll(Collection<? extends E> c)方法即可；

（7）ArrayList支持求单向差集，调用removeAll(Collection<? extends E> c)方法即可；

Java集合之ArrayList源码分析

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原文地址：https://www.cnblogs.com/yoci/p/11419911.html