Java 集合深入理解（7）：ArrayList
阿新 • • 發佈：2019-01-11
今天心情有點美麗，學學 ArrayList 放鬆下吧！
什麼是 ArrayList
ArrayList 是 Java 集合框架中 List介面 的一個實現類。
可以說 ArrayList 是我們使用最多的 List 集合，它有以下特點：
- 容量不固定，想放多少放多少（當然有最大閾值，但一般達不到）
- 有序的（元素輸出順序與輸入順序一致）
- 元素可以為 null
- 效率高
- size(), isEmpty(), get(), set() iterator(), ListIterator() 方法的時間複雜度都是 O(1)
- add() 新增操作的時間複雜度平均為 O(n)
- 其他所有操作的時間複雜度幾乎都是 O(n)
- 佔用空間更小
- 對比 LinkedList，不用佔用額外空間維護連結串列結構
那 ArrayList 為什麼有這些優點呢？我們通過原始碼一一解析。
ArrayList 的成員變數
1.底層資料結構，陣列：
transient Object[] elementData
由於陣列型別為 Object，所以允許新增 null 。
transient 說明這個陣列無法序列化。
初始時為 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 。
2.預設的空陣列：
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {}; private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
不清楚它倆啥區別。
3.陣列初始容量為 10：
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
4.陣列中當前元素個數：
private int size;
size <= capacity
5.陣列最大容量：
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
Integer.MAX_VALUE = 0x7fffffff
換算成二進位制： 2^31 - 1，1111111111111111111111111111111
十進位制就是 ：2147483647，二十一億多。
一些虛擬器需要在陣列前加個 頭標籤，所以減去 8 。
當想要分配比 MAX_ARRAY_SIZE 大的個數就會報 OutOfMemoryError。
ArrayList 的關鍵方法
1.建構函式
ArrayList 有三種建構函式：
//初始為空陣列
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
//根據指定容量，建立個物件陣列
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);
}
}
//直接建立和指定集合一樣內容的 ArrayList
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
elementData = c.toArray();
if ((size = elementData.length) != 0) {
// c.toArray 有可能不返回一個 Object 陣列
if (elementData.getClass() != Object[].class)
//使用 Arrays.copy 方法拷建立一個 Object 陣列
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
} else {
// replace with empty array.
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}
}
2.新增元素：
public boolean add(E e) {
//對陣列的容量進行調整
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
elementData[size++] = e;
return true;
}
//在指定位置新增一個元素
public void add(int index, E element) {
rangeCheckForAdd(index);
//對陣列的容量進行調整
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
//整體後移一位，效率不太好啊
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
size - index);
elementData[index] = element;
size++;
}
//新增一個集合
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
//把該集合轉為物件陣列
Object[] a = c.toArray();
int numNew = a.length;
//增加容量
ensureCapacityInternal(size + numNew); // Increments modCount
//挨個向後遷移
System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
size += numNew;
//新陣列有元素，就返回 true
return numNew != 0;
}
//在指定位置，新增一個集合
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;
//原來的陣列挨個向後遷移
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew,
numMoved);
//把新的集合陣列 新增到指定位置
System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);
size += numNew;
return numNew != 0;
}
雖說 System.arraycopy 是底層方法，但每次新增都後移一位還是不太好。
3.對陣列的容量進行調整：
public void ensureCapacity(int minCapacity) {
int minExpand = (elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)
// 不是預設的陣列，說明已經添加了元素
? 0
// 預設的容量
: DEFAULT_CAPACITY;
if (minCapacity > minExpand) {
//當前元素個數比預設容量大
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
}
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
//還沒有新增元素
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
//最小容量取預設容量和 當前元素個數 最大值
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
modCount++;
// 容量不夠了，需要擴容
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}
我們可以主動呼叫 ensureCapcity 來增加 ArrayList 物件的容量，這樣就避免新增元素滿了時擴容、挨個複製後移等消耗。
4.擴容：
private void grow(int minCapacity) {
int oldCapacity = elementData.length;
// 1.5 倍 原來容量
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
//如果當前容量還沒達到 1.5 倍舊容量，就使用當前容量，省的站那麼多地方
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
//新的容量居然超出了 MAX_ARRAY_SIZE
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
//最大容量可以是 Integer.MAX_VALUE
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
// minCapacity 一般跟元素個數 size 很接近，所以新建的陣列容量為 newCapacity 更寬鬆些
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
if (minCapacity < 0) // overflow
throw new OutOfMemoryError();
return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
Integer.MAX_VALUE :
MAX_ARRAY_SIZE;
}
5.查詢，修改等操作，直接根據角標對陣列操作，都很快：
E elementData(int index) {
return (E) elementData[index];
}
//獲取
public E get(int index) {
rangeCheck(index);
//直接根據陣列角標返回元素，快的一比
return elementData(index);
}
//修改
public E set(int index, E element) {
rangeCheck(index);
E oldValue = elementData(index);
//直接對陣列操作
elementData[index] = element;
//返回原來的值
return oldValue;
}
6.刪除，還是有點慢：
//根據位置刪除
public E remove(int index) {
rangeCheck(index);
modCount++;
E oldValue = elementData(index);
//挨個往前移一位
int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
numMoved);
//原陣列中最後一個元素刪掉
elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
return oldValue;
}
//刪除某個元素
public boolean remove(Object o) {
if (o == null) {
//挨個遍歷找到目標
for (int index = 0; index < size; index++)
if (elementData[index] == null) {
//快速刪除
fastRemove(index);
return true;
}
} else {
for (int index = 0; index < size; index++)
if (o.equals(elementData[index])) {
fastRemove(index);
return true;
}
}
return false;
}
//內部方法，“快速刪除”，就是把重複的程式碼移到一個方法裡
//沒看出來比其他 remove 哪兒快了 - -
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
}
//保留公共的
public boolean retainAll(Collection<?> c) {
Objects.requireNonNull(c);
return batchRemove(c, true);
}
//刪除或者保留指定集合中的元素
private boolean batchRemove(Collection<?> c, boolean complement) {
final Object[] elementData = this.elementData;
//使用兩個變數，一個負責向後掃描，一個從 0 開始，等待覆蓋操作
int r = 0, w = 0;
boolean modified = false;
try {
//遍歷 ArrayList 集合
for (; r < size; r++)
//如果指定集合中是否有這個元素，根據 complement 判斷是否往前覆蓋刪除
if (c.contains(elementData[r]) == complement)
elementData[w++] = elementData[r];
} finally {
//發生了異常，直接把 r 後面的複製到 w 後面
if (r != size) {
System.arraycopy(elementData, r,
elementData, w,
size - r);
w += size - r;
}
if (w != size) {
// 清除多餘的元素，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;
}
//清楚全部
public void clear() {
modCount++;
//並沒有直接使陣列指向 null,而是逐個把元素置為空
//下次使用時就不用重新 new 了
for (int i = 0; i < size; i++)
elementData[i] = null;
size = 0;
}
7.判斷狀態：
public boolean contains(Object o) {
return indexOf(o) >= 0;
}
//遍歷，第一次找到就返回
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;
}
//倒著遍歷
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;
}
8.轉換成 陣列：
public Object[] toArray() {
return Arrays.copyOf(elementData, size);
}
public <T> T[] toArray(T[] a) {
//如果只是要把一部分轉換成陣列
if (a.length < size)
// Make a new array of a's runtime type, but my contents:
return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass());
//全部元素拷貝到 陣列 a
System.arraycopy(elementData, 0, a, 0, size);
if (a.length > size)
a[size] = null;
return a;
}
看下 Arrays.copyOf() 方法：
public static <T,U> T[] copyOf(U[] original, int newLength, Class<? extends T[]> newType) {
@SuppressWarnings("unchecked")
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;
}
如果 newType 是一個物件對組，就直接把 original 的元素拷貝到 物件陣列中；
否則新建一個 newType 型別的陣列。
ArrayList 的內部實現
1.迭代器 Iterator, ListIterator 沒什麼特別，直接使用角標訪問陣列的元素，:
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();
}
}
}
在 Java 集合深入理解：AbstractList 中我們介紹了 RandomAccess，裡面提到，支援 RandomAccess 的物件，遍歷時使用 get 比 迭代器更快。
由於 ArrayList 繼承自 RandomAccess， 而且它的迭代器都是基於 ArrayList 的方法和陣列直接操作，所以遍歷時 get 的效率要 >= 迭代器。
int i=0, n=list.size(); i < n; i++)
list.get(i);
比用迭代器更快：
for (Iterator i=list.iterator(); i.hasNext(); )
i.next();
另外，由於 ArrayList 不是同步的，所以在併發訪問時，如果在迭代的同時有其他執行緒修改了 ArrayList, fail-fast 的迭代器 Iterator/ListIterator 會報 ConcurrentModificationException 錯。
因此我們在併發環境下需要外部給 ArrayList 加個同步鎖，或者直接在初始化時用 Collections.synchronizedList 方法進行包裝：
List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList(...));