ArrayList 源码分析

Scroll Down

介绍

ArrayList 是一个数组队列,相当于 动态数组。与Java中的数组相比,它的容量能动态增长。

结构

ArrayList继承于AbstractList,实现了List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable这些接口。如下图:

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

ArrayList结构图

  • ArrayList 继承了AbstractList,实现了List。AbstractList、List提供了相关的添加、删除、修改、遍历等功能。
  • ArrayList 实现了RandmoAccess接口,即提供了随机访问功能。在ArrayList中,我们即可以通过元素的序号快速获取元素对象,这就是快速随机访问。
  • ArrayList 实现了Cloneable接口,实现clone(),实现克隆。
  • ArrayList 实现java.io.Serializable接口,意味着ArrayList支持序列化,能通过序列化去传输。

扩展:ArrayList和Vector不同,ArrayList中的操作不是线程安全的!所以,建议在单线程中才使用ArrayList,而在多线程中可以选择Vector。

字段

    private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;

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

    /**
     * Shared empty array instance used for empty instances.
     * 空数组,当用户创建空实例时,返回该数组
     */
    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.
     * 空数组实例
     * - 当用户没有指定 ArrayList 的容量时(即调用无参构造函数),返回的是该数组==>刚创建一个 ArrayList 时,其内数据量为 0。
     * - 当用户第一次添加元素时,该数组将会扩容,变成默认容量为 10(DEFAULT_CAPACITY) 的一个数组===>通过  ensureCapacityInternal() 实现
     */
    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.
     * 数组对象
     * - 当前数据对象存放地方
     * - 当前对象不参与序列化
     * - transient 关键字最主要的作用就是当序列化时,被transient修饰的内容将不会被序列化
     */
    transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access

    /**
     * The size of the ArrayList (the number of elements it contains).
     * 数组中的元素个数
     * @serial
     */
    private int size;

    /**
    * 这个列表在结构上被修改的次数。结构修改是指改变列表的大小,或者以一种正在进行的迭代可能会保留不正确结果的方式扰乱列表。
    */
    protected transient int modCount = 0;

提示:size和elementData.length是不相同的。size是指当前集合中存在的元素个数,elementData.length是指当前集合指定的容量大小例如,如果我们ArrayList()时,ArrayList只是给我们默认的elementData=DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA,此时只是空数组,只有第一次add时才默认数组的大小为DEFAULT_CAPACITY=10 ,此时elementData.length=10,而size=0

构造方法

ArrayList提供了三种构造方法:

ArrayList(int initialCapacity)

构造一个指定容量的ArrayList。这是一个带初始容量大小的有参构造函数。

  • 初始容量>0:返回指定容量的大小
  • 初始容量=0:返回空数组
  • 初始容量<0:抛出异常 IllegalArgumentException
    /**
     * Constructs an empty list with the specified initial capacity.
     * - 构造一个指定容量的ArrayList。这是一个带初始容量大小的有参构造函数。
     * @param  initialCapacity  the initial capacity of the list
     * - 初始化容量
     * @throws IllegalArgumentException if the specified initial capacity
     *         is negative
     * - 如果指定的初始容量为负,抛出异常
     */
    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()

无参构造方法,创建ArrayList对象的时候不传入参数,则使用此无参构造方法创建ArrayList对象。从前面知道DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA是一个空的Object[],给到elementData进行初始化,elementData也是个Object[]类型。当有元素进行第一次添加 add() 时,elementData将会变成默认的长度10。

    /**
     * Constructs an empty list with an initial capacity of ten.
     * - 无参构造方法,创建ArrayList对象的时候不传入参数,则使用此无参构造方法创建ArrayList对象
     */
    public ArrayList() {
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }

注意:默认容量为10,调用无参构造此时的容量0,当第一次调用 add() 方法时才进行扩容为10。

ArrayList(Collection<? extends E> c)

构造一个包含指定 collection 的元素的列表,这些元素是按照该 collection 的迭代器返回它们的顺序排列的。

  • 将 Collection 对象转换成数组并赋值给 elementData。
  • 判断数组大小是否等于0,将空数组 EMPTY_ELEMENTDATA 赋值给 elementData。
  • 如果size的值大于0,则执行Arrays.copy方法,把collection对象的内容(可以理解为深拷贝)拷贝到elementData中。
    /**
     * Constructs a list containing the elements of the specified
     * collection, in the order they are returned by the collection's
     * iterator.
     * - 构造一个包含指定 collection 的元素的列表,这些元素是按照该 collection 的迭代器返回它们的顺序排列的。
     * @param c the collection whose elements are to be placed into this list
     * - 放入此列表的集合
     * @throws NullPointerException if the specified collection is null
     * - 如果集合为空,抛出异常
     */
    public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
        elementData = c.toArray();
        if ((size = elementData.length) != 0) {
            // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
            if (elementData.getClass() != Object[].class)
                // copyOf(要复制的数组,要返回的副本的长度,要返回的副本的类)
                elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
        } else {
            // replace with empty array.
            // 将空数组 EMPTY_ELEMENTDATA 赋值给 elementData。
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        }
    }

总结:ArrayList 构造方法就是初始化存储数据容器。存储数据容器其本质就是数组,在ArrayList中叫elementData。

普通方法

add()

add(E e)

将指定的元素添加此集合的末尾。

    /**
     * Appends the specified element to the end of this list.
     * - 将指定的元素添加此集合的末尾。
     * @param e element to be appended to this list
     * @return <tt>true</tt> (as specified by {@link Collection#add})
     */
    public boolean add(E e) {
        // 检查数组容量,不够,容器+1,
        // 注意:只+1,因为add()一次只添加一个元素,并且也能确保资源不被浪费。
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        //添加对象,自增size 等同于 elementData[size]; size++;
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }
    // 检查数组容量,不够扩容。
    private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
    }

    private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
            //若 elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 则取 DEFAULT_CAPACITY 和 minCapacity 的最大值
            return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }
        return minCapacity;
    }

    // 检查数组容量,不够扩容。
    private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        modCount++;

        // overflow-conscious code
        //最小容量 > 数组长度 = 扩容
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
    }

    /**
     * Increases the capacity to ensure that it can hold at least the
     * number of elements specified by the minimum capacity argument.
     * - 数组扩容,以确保它至少可以容纳由最小容量参数指定的元素数量。
     * @param minCapacity the desired minimum capacity
     */
    private void grow(int minCapacity) {
        // overflow-conscious code
        int oldCapacity = elementData.length;
        // >>:表示右移,如果该数为正,则高位补0,若为负数,则高位补1
        // eg : 10 的二进制(1010) 右移 变成 0101(十进制5),所以扩容是1.5倍
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            newCapacity = minCapacity;
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
        // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
        // 拷贝数组,改变容量大小。
        // Arrays.copyof(原数组,新的数组长度)
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }

    // 进行大容量分配
    private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
        // 如果minCapacity<0,抛出异常
        if (minCapacity < 0) // overflow
            throw new OutOfMemoryError();
        // 如果想要的容量大于MAX_ARRAY_SIZE,则分配Integer.MAX_VALUE,否则分配MAX_ARRAY_SIZE
        return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
            Integer.MAX_VALUE :
            MAX_ARRAY_SIZE;
    }

  1. 第一次调用add方法流程分析
    1. 调用 add() ,此时 size=0 ,size+1=1;
    2. 调用 ensureCapacityInternal(minCapacity) ,此时 minCapacity=1;
    3. 调用 calculateCapacity(elementData,minCapacity) ,此时 minCapacity=1 ,elementData={}, DEFAULT_CAPACITY=10 ,DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA={};
    4. 因为 elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 所以取 DEFAULT_CAPACITY ,minCapacity两数最大值 DEFAULT_CAPACITY;
    5. 返回 ensureCapacityInternal后,调用 ensureExplicitCapacity(minCapacity) ,此时 minCapacity=10, elementData.length=0;
    6. 因为 minCapacity - elementData.length > 0调用 grow();
    7. 先扩容 newCapacity = newCapacity + ( newCapacity >> 1 ),判断 newCapacity - minCapacity < 0,所以 newCapacity = minCapacity = 10;
    8. 拷贝数组,改变容量大小;
    9. 一并返回到 add(),添加对象,自增size;

  1. 第二次扩容:第二次扩容是指当前集合中已经存在10(默认容量10)个元素后,继续添加第11个元素。
    1. 调用 add() ,此时 size=10 ,size+1=11;
    2. 调用 ensureCapacityInternal(minCapacity) ,此时 minCapacity=11;
    3. 调用 calculateCapacity(elementData,minCapacity) ,此时 minCapacity=11 ,elementData.length=10, DEFAULT_CAPACITY=10 ,DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA.length=0;
    4. 因为 elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA ,所以取 minCapacity=11;
    5. 返回 ensureCapacityInternal 后,调用 ensureExplicitCapacity(minCapacity) ,此时 minCapacity=11 ,elementData.length=10;
    6. 因为 minCapacity - elementData.length > 0 调用 grow();
    7. 先扩容 newCapacity = newCapacity + ( newCapacity >> 1 ) ,判断 newCapacity - minCapacity > 0,所以 newCapacity = newCapacity = 15;
    8. 拷贝数组,改变容量大小;
    9. 一并返回到add(),添加对象,自增size;
add(int index, E element)

指定元素插入到列表中的指定位置。

    /**
     * Inserts the specified element at the specified position in this
     * list. Shifts the element currently at that position (if any) and
     * any subsequent elements to the right (adds one to their indices).
     * - 将指定元素插入到列表中的指定位置。将当前位于该位置的元素(如果有)和任何后续元素向右移动(将一个元素添加到它们的索引中)。
     * @param index index at which the specified element is to be inserted
     * - 要插入指定元素的索引
     * @param element element to be inserted
     * - 要插入的元素
     * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
     * - 抛出异常
     */
    public void add(int index, E element) {
        // 检查索引是否越界
        rangeCheckForAdd(index);
        // 检查数组容量,不够,扩容
        // 注意:只+1,因为add()一次只添加一个元素,并且也能确保资源不被浪费。
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        // System.arraycopy(源数组,源数组起始索引,目标数组,目标数组起始索引,要拷贝的长度)
        // 主要思想:将当前位于该位置的元素(如果有)和任何后续元素向右移动(将一个元素添加到它们的索引中)。
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index);
        // 指定索引位置赋值   
        elementData[index] = element;
        // 大小+1
        size++;
    }
    /**
     * A version of rangeCheck used by add and addAll.
     */
    private void rangeCheckForAdd(int index) {
        //要插入的索引位置不能小于0,不能大于size
        if (index > size || index < 0)
            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
    }

总结:add(int index, E element)先检查索引是否越界,再判断是否需要扩容,再将需要右移的元素右移,最后赋值,修改大小。

remove

remove(int index)

删除列表中指定位置的元素。将后续所有元素向左移动(从它们的索引中减去1)。

    /**
     * Removes the element at the specified position in this list.
     * Shifts any subsequent elements to the left (subtracts one from their
     * indices).
     * - 删除列表中指定位置的元素。将后续所有元素向左移动(从它们的索引中减去1)。
     * @param index the index of the element to be removed
     * - 指定要删除的索引
     * @return the element that was removed from the list
     * - 删除的元素
     * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
     * - 抛出异常
     */
    public E remove(int index) {
        // 检查索引是否越界
        rangeCheck(index);

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

        // 主要思想:
        // - 1. 先计算出需要左移的元素长度
        // - 2. 将后续所有元素向左移动(从它们的索引中减去1)。
        int numMoved = size - index - 1;
        if (numMoved > 0)
            // System.arraycopy(源数组,源数组起始索引,目标数组,目标数组起始索引,要拷贝的长度)
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
        // 左移后,将最后一个元素至空
        elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
        // 返回删除的元素值
        return oldValue;
    }

    /**
     * Checks if the given index is in range.  If not, throws an appropriate
     * runtime exception.  This method does *not* check if the index is
     * negative: It is always used immediately prior to an array access,
     * which throws an ArrayIndexOutOfBoundsException if index is negative.
     * - 检查给定的索引是否在范围内。如果不是,则抛出适当的运行时异常。该方法不*not*检查索引是否为负数:它总是在数组访问之前使用,如果索引为负数,则会抛出ArrayIndexOutOfBoundsException。
     */
    private void rangeCheck(int index) {
        if (index >= size)
            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
    }

    /**
     * Constructs an IndexOutOfBoundsException detail message.
     * Of the many possible refactorings of the error handling code,
     * this "outlining" performs best with both server and client VMs.
     * - 构造一个角标越界提示信息
     */
    private String outOfBoundsMsg(int index) {
        return "Index: "+index+", Size: "+size;
    }

    //获取指定索引的值
    E elementData(int index) {
        return (E) elementData[index];
    }

总结:remove(int index)先检查索引是否越界,然后计算出要左移的元素长度,最后左移。将最后一个元素至空。

remove(Object o)

从该列表中删除指定元素的第一个匹配项(如果存在)。如果列表不包含该元素,它将保持不变。确切的说,删除索引最小的元素

    /**
     * Removes the first occurrence of the specified element from this list,
     * if it is present.  If the list does not contain the element, it is
     * unchanged.  More formally, removes the element with the lowest index
     * - 从该列表中删除指定元素的第一个匹配项(如果存在)。如果列表不包含该元素,它将保持不变。确切的说,删除索引最小的元素
     * <tt>i</tt> such that
     * <tt>(o==null ?  get(i) == null : o.equals(get(i)))</tt>
     * (if such an element exists).  Returns <tt>true</tt> if this list
     * contained the specified element (or equivalently, if this list
     * changed as a result of the call).
     *
     * @param o element to be removed from this list, if present
     * - 要删除的对象
     * @return <tt>true</tt> if this list contained the specified element
     * - 返回true or false
     */
    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 remove method that skips bounds checking and does not
     * return the value removed.
     * - 私有移除方法,该方法跳过边界检查且不返回被移除的值。
     */
    private void fastRemove(int index) {
        modCount++;
        // 计算要左移元素的长度
        int numMoved = size - index - 1;
        if (numMoved > 0)
            // System.arraycopy(源数组,源数组起始索引,目标数组,目标数组起始索引,要拷贝的长度)
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
        // 左移后,将最后一个元素至空
        elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
    }

总结:remove(Object o):删除指定元素,不用检查索引越界。此方法只删除索引值最小的元素。

get(int index)

返回列表中指定位置的元素。

    /**
     * Returns the element at the specified position in this list.
     * - 返回列表中指定位置的元素。
     * @param  index index of the element to return
     * @return the element at the specified position in this list
     * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
     */
    public E get(int index) {
        // 检查索引是否越界
        rangeCheck(index);
        // 获取指定索引上的元素
        return elementData(index);
    }

set(int index, E element)

将列表中指定位置的元素替换为指定元素。

    /**
     * Replaces the element at the specified position in this list with
     * the specified element.
     * - 将列表中指定位置的元素替换为指定元素。
     * @param index index of the element to replace
     * - 要替换的元素的索引
     * @param element element to be stored at the specified position
     * - 元素存储在指定位置
     * @return the element previously at the specified position
     * - 先前位于指定位置的元素
     * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
     */
    public E set(int index, E element) {
        // 检查索引越界
        rangeCheck(index);
        // 获取指定位置的元素
        E oldValue = elementData(index);
        // 替换指定位置的元素
        elementData[index] = element;
        // 返回被替换的元素
        return oldValue;
    }

indexOf(Object o)

返回该列表中指定元素第一次出现的索引,如果该列表不包含该元素,则返回-1。确切的说,返回最低的索引的元素

    /**
     * Returns the index of the first occurrence of the specified element
     * in this list, or -1 if this list does not contain the element.
     * More formally, returns the lowest index <tt>i</tt> such that
     * - 返回该列表中指定元素第一次出现的索引,如果该列表不包含该元素,则返回-1。确切的说,返回最低的索引的元素
     * <tt>(o==null ? get(i)==null : o.equals(get(i)))</tt>,
     * or -1 if there is no such index.
     */
    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;
    }

lastIndexOf(Object o)

返回指定元素最后一次出现的索引,如果该列表不包含该元素,则返回-1。确切的说,返回最高的索引的元素

    /**
     * Returns the index of the last occurrence of the specified element
     * in this list, or -1 if this list does not contain the element.
     * More formally, returns the highest index <tt>i</tt> such that
     * - 返回指定元素最后一次出现的索引,如果该列表不包含该元素,则返回-1。确切的说,返回最高的索引的元素
     * <tt>(o==null ? get(i)==null : o.equals(get(i)))</tt>,
     * or -1 if there is no such index.
     */
    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;
    }

clear()

从列表中删除所有元素。该调用返回后,列表将为空。

    /**
     * Removes all of the elements from this list.  The list will
     * be empty after this call returns.
     * - 从列表中删除所有元素。该调用返回后,列表将为空。
     */
    public void clear() {
        modCount++;

        // clear to let GC do its work
        for (int i = 0; i < size; i++)
            elementData[i] = null;

        size = 0;
    }