【Java集合源码剖析】ArrayList源码剖析

ArrayList简介

ArrayList是基于数组实现的,是一个动态数组,其容量能自动增长,类似于C语言中的动态申请内存,动态增长内存。

ArrayList不是线程安全的,只能用在单线程环境下,多线程环境下可以考虑用Collections.synchronizedList(List l)函数返回一个线程安全的ArrayList类,也可以使用concurrent并发包下的CopyOnWriteArrayList类。

ArrayList实现了Serializable接口,因此它支持序列化,能够通过序列化传输,实现了RandomAccess接口,支持快速随机访问,实际上就是通过下标序号进行快速访问,实现了Cloneable接口,能被克隆。

ArrayList源码剖析

ArrayList的源码如下(加入了比较详细的注释):

package java.util;  

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>  
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable  
{  
    // 序列版本号  
    private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;  

    // ArrayList基于该数组实现,用该数组保存数据 
    private transient Object[] elementData;  

    // ArrayList中实际数据的数量  
    private int size;  

    // 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);  
        // 新建一个数组  
        this.elementData = new Object[initialCapacity];  
    }  

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

    // 创建一个包含collection的ArrayList  
    public ArrayList(Collection<? extends E> c) {  
        elementData = c.toArray();  
        size = elementData.length;  
        if (elementData.getClass() != Object[].class)  
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);  
    }  

    // 将当前容量值设为实际元素个数  
    public void trimToSize() {  
        modCount++;  
        int oldCapacity = elementData.length;  
        if (size < oldCapacity) {  
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);  
        }  
    }  

    // 确定ArrarList的容量。  
    // 若ArrayList的容量不足以容纳当前的全部元素,设置 新的容量=“(原始容量x3)/2 + 1”  
    public void ensureCapacity(int minCapacity) {  
        // 将“修改统计数”+1,该变量主要是用来实现fail-fast机制的  
        modCount++;  
        int oldCapacity = elementData.length;  
        // 若当前容量不足以容纳当前的元素个数,设置 新的容量=“(原始容量x3)/2 + 1”  
        if (minCapacity > oldCapacity) {  
            Object oldData[] = elementData;  
            int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1;  
			//如果还不够,则直接将minCapacity设置为当前容量
            if (newCapacity < minCapacity)  
                newCapacity = minCapacity;  
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);  
        }  
    }  

    // 添加元素e  
    public boolean add(E e) {  
        // 确定ArrayList的容量大小  
        ensureCapacity(size + 1);  // Increments modCount!!  
        // 添加e到ArrayList中  
        elementData[size++] = e;  
        return true;  
    }  

    // 返回ArrayList的实际大小  
    public int size() {  
        return size;  
    }  

    // ArrayList是否包含Object(o)  
    public boolean contains(Object o) {  
        return indexOf(o) >= 0;  
    }  

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

    // 正向查找,返回元素的索引值  
    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;  
        }  

        // 反向查找,返回元素的索引值  
        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;  
    }  

    // 反向查找(从数组末尾向开始查找),返回元素(o)的索引值  
    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;  
    }  

    // 返回ArrayList的Object数组  
    public Object[] toArray() {  
        return Arrays.copyOf(elementData, size);  
    }  

    // 返回ArrayList元素组成的数组
    public <T> T[] toArray(T[] a) {  
        // 若数组a的大小 < ArrayList的元素个数;  
        // 则新建一个T[]数组,数组大小是“ArrayList的元素个数”,并将“ArrayList”全部拷贝到新数组中  
        if (a.length < size)  
            return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass());  

        // 若数组a的大小 >= ArrayList的元素个数;  
        // 则将ArrayList的全部元素都拷贝到数组a中。  
        System.arraycopy(elementData, 0, a, 0, size);  
        if (a.length > size)  
            a[size] = null;  
        return a;  
    }  

    // 获取index位置的元素值  
    public E get(int index) {  
        RangeCheck(index);  

        return (E) elementData[index];  
    }  

    // 设置index位置的值为element  
    public E set(int index, E element) {  
        RangeCheck(index);  

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

    // 将e添加到ArrayList中  
    public boolean add(E e) {  
        ensureCapacity(size + 1);  // Increments modCount!!  
        elementData[size++] = e;  
        return true;  
    }  

    // 将e添加到ArrayList的指定位置  
    public void add(int index, E element) {  
        if (index > size || index < 0)  
            throw new IndexOutOfBoundsException(  
            "Index: "+index+", Size: "+size);  

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

    // 删除ArrayList指定位置的元素  
    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; // Let gc do its work  

        return oldValue;  
    }  

    // 删除ArrayList的指定元素  
    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  
    private void fastRemove(int index) {  
        modCount++;  
        int numMoved = size - index - 1;  
        // 从"index+1"开始,用后面的元素替换前面的元素。  
        if (numMoved > 0)  
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,  
                             numMoved);  
        // 将最后一个元素设为null  
        elementData[--size] = null; // Let gc do its work  
    }  

    // 删除元素  
    public boolean remove(Object o) {  
        if (o == null) {  
            for (int index = 0; index < size; index++)  
            if (elementData[index] == null) {  
                fastRemove(index);  
            return true;  
            }  
        } else {  
            // 便利ArrayList,找到“元素o”,则删除,并返回true。  
            for (int index = 0; index < size; index++)  
            if (o.equals(elementData[index])) {  
                fastRemove(index);  
            return true;  
            }  
        }  
        return false;  
    }  

    // 清空ArrayList,将全部的元素设为null  
    public void clear() {  
        modCount++;  

        for (int i = 0; i < size; i++)  
            elementData[i] = null;  

        size = 0;  
    }  

    // 将集合c追加到ArrayList中  
    public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {  
        Object[] a = c.toArray();  
        int numNew = a.length;  
        ensureCapacity(size + numNew);  // Increments modCount  
        System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);  
        size += numNew;  
        return numNew != 0;  
    }  

    // 从index位置开始,将集合c添加到ArrayList  
    public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {  
        if (index > size || index < 0)  
            throw new IndexOutOfBoundsException(  
            "Index: " + index + ", Size: " + size);  

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

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

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

    // 删除fromIndex到toIndex之间的全部元素。  
    protected void removeRange(int fromIndex, int toIndex) {  
    modCount++;  
    int numMoved = size - toIndex;  
        System.arraycopy(elementData, toIndex, elementData, fromIndex,  
                         numMoved);  

    // Let gc do its work  
    int newSize = size - (toIndex-fromIndex);  
    while (size != newSize)  
        elementData[--size] = null;  
    }  

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

    // 克隆函数  
    public Object clone() {  
        try {  
            ArrayList<E> v = (ArrayList<E>) super.clone();  
            // 将当前ArrayList的全部元素拷贝到v中  
            v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);  
            v.modCount = 0;  
            return v;  
        } catch (CloneNotSupportedException e) {  
            // this shouldn't happen, since we are Cloneable  
            throw new InternalError();  
        }  
    }  

    // java.io.Serializable的写入函数  
    // 将ArrayList的“容量,所有的元素值”都写入到输出流中  
    private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)  
        throws java.io.IOException{  
    // Write out element count, and any hidden stuff  
    int expectedModCount = modCount;  
    s.defaultWriteObject();  

        // 写入“数组的容量”  
        s.writeInt(elementData.length);  

    // 写入“数组的每一个元素”  
    for (int i=0; i<size; i++)  
            s.writeObject(elementData[i]);  

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

    }  

    // java.io.Serializable的读取函数:根据写入方式读出  
    // 先将ArrayList的“容量”读出,然后将“所有的元素值”读出  
    private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)  
        throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {  
        // Read in size, and any hidden stuff  
        s.defaultReadObject();  

        // 从输入流中读取ArrayList的“容量”  
        int arrayLength = s.readInt();  
        Object[] a = elementData = new Object[arrayLength];  

        // 从输入流中将“所有的元素值”读出  
        for (int i=0; i<size; i++)  
            a[i] = s.readObject();  
    }  
}

几点总结

关于ArrayList的源码,给出几点比较重要的总结:

1、注意其三个不同的构造方法。无参构造方法构造的ArrayList的容量默认为10,带有Collection参数的构造方法,将Collection转化为数组赋给ArrayList的实现数组elementData。

2、注意扩充容量的方法ensureCapacity。ArrayList在每次增加元素(可能是1个,也可能是一组)时,都要调用该方法来确保足够的容量。当容量不足以容纳当前的元素个数时,就设置新的容量为旧的容量的1.5倍加1,如果设置后的新容量还不够,则直接新容量设置为传入的参数(也就是所需的容量),而后用Arrays.copyof()方法将元素拷贝到新的数组(详见下面的第3点)。从中可以看出,当容量不够时,每次增加元素,都要将原来的元素拷贝到一个新的数组中,非常之耗时,也因此建议在事先能确定元素数量的情况下,才使用ArrayList,否则建议使用LinkedList。

3、ArrayList的实现中大量地调用了Arrays.copyof()和System.arraycopy()方法。我们有必要对这两个方法的实现做下深入的了解。

首先来看Arrays.copyof()方法。它有很多个重载的方法,但实现思路都是一样的,我们来看泛型版本的源码:

    public static <T> T[] copyOf(T[] original, int newLength) {
        return (T[]) copyOf(original, newLength, original.getClass());
    }

很明显调用了另一个copyof方法,该方法有三个参数,最后一个参数指明要转换的数据的类型,其源码如下:

    public static <T,U> T[] copyOf(U[] original, int newLength, Class<? extends T[]> newType) {
        T[] copy = ((Object)newType == (Object)Object[].class)
            ? (T[]) new Object[newLength]
            : (T[]) Array.newInstance(newType.getComponentType(), newLength);
        System.arraycopy(original, 0, copy, 0,
                         Math.min(original.length, newLength));
        return copy;
    }

这里可以很明显地看出,该方法实际上是在其内部又创建了一个长度为newlength的数组,调用System.arraycopy()方法,将原来数组中的元素复制到了新的数组中。

下面来看System.arraycopy()方法。该方法被标记了native,调用了系统的C/C++代码,在JDK中是看不到的,但在openJDK中可以看到其源码。该函数实际上最终调用了C语言的memmove()函数,因此它可以保证同一个数组内元素的正确复制和移动,比一般的复制方法的实现效率要高很多,很适合用来批量处理数组。Java强烈推荐在复制大量数组元素时用该方法,以取得更高的效率。

4、注意ArrayList的两个转化为静态数组的toArray方法。

第一个,Object[] toArray()方法。该方法有可能会抛出java.lang.ClassCastException异常,如果直接用向下转型的方法,将整个ArrayList集合转变为指定类型的Array数组,便会抛出该异常,而如果转化为Array数组时不向下转型,而是将每个元素向下转型,则不会抛出该异常,显然对数组中的元素一个个进行向下转型,效率不高,且不太方便。

第二个,<T> T[] toArray(T[] a)方法。该方法可以直接将ArrayList转换得到的Array进行整体向下转型(转型其实是在该方法的源码中实现的),且从该方法的源码中可以看出,参数a的大小不足时,内部会调用Arrays.copyOf方法,该方法内部创建一个新的数组返回,因此对该方法的常用形式如下:

public static Integer[] vectorToArray2(ArrayList<Integer> v) {  
    Integer[] newText = (Integer[])v.toArray(new Integer[0]);  
    return newText;  
}

5、ArrayList基于数组实现,可以通过下标索引直接查找到指定位置的元素,因此查找效率高,但每次插入或删除元素,就要大量地移动元素,插入删除元素的效率低。

6、在查找给定元素索引值等的方法中,源码都将该元素的值分为null和不为null两种情况处理,ArrayList中允许元素为null。



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