Java中ArrayList实现原理及基本方法
作者：ycfxhsw
1、ArrayList的数据结构
ArrayList是开发中非常常用的数据存储容器之一，其底层是 数组 实现的
我们可以在集合中存储任意类型的数据，ArrayList是线程不安全的，擅长随机访问元素，插入和删除较慢 。
ArrayList的底层数据结构就是一个 数组 ，数组元素的类型为Object类型，对ArrayList的所有操作底层都是基于数组的。
2、ArrayList是线程不安全的
对ArrayList进行添加元素的操作的时候是分两个步骤进行的：
- 先在
object[size]的位置上存放需要添加的元素； - 将
size的值增加1。
由于这个过程在多线程的环境下是不能保证具有原子性 的，因此ArrayList在多线程的环境下是线程不安全的。
在单线程运行的情况下，如果Size = 0，添加一个元素后，此元素在位置 0，而且Size=1；
而如果是在多线程情况下，比如有两个线程，线程 A 先将元素存放在位置0。
但是此时 CPU 调度线程A暂停，线程 B 得到运行的机会。
线程B也向此ArrayList 添加元素，因为此时 Size 仍然等于 0
（注意：我们假设的是添加一个元素是要两个步骤哦，而线程A仅仅完成了步骤1），所以线程B也将 元素存放在位置0。
然后线程A和线程B都继续运行，都增 加 Size 的值。
那好，现在我们来看看ArrayList 的情况，元素实际上只有一个，存放在位置 0，而Size却等于 2。这就是“线程不安全”了。
如果非要在多线程的环境下使用ArrayList，就需要保证它的线程安全性，通常有两种解决办法：
- 使用synchronized关键字；
- 可以用Collections类中的静态方法synchronizedList()，对ArrayList进行调用即可。
3、ArrayList的实现
对于ArrayList而言，它实现List接口、底层使用数组保存所有元素。其操作基本上是对数组的操作。
下面我们来分析ArrayList的源代码：
1) 私有属性：
ArrayList定义只定义类两个私有属性：
/** *ArrayList 的元素存储在其中的数组缓冲区。 *ArrayList 的容量就是这个数组缓冲区的长度。添加第一个元素时，任何带有 elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 的空 ArrayList 都将扩展为 DEFAULT_CAPACITY（10）。 */ transient Object[] elementData; // ArrayList 的大小 private int size;
Java的serialization提供了一种持久化对象实例的机制。
当持久化对象时，可能有一个特殊的对象数据成员，我们不想用serialization机制来保存它。
为了在一个特定对象的一个域上关闭serialization，可以在这个域前加上关键字transient。
有点抽象，看个例子应该能明白：
public class UserInfo implements Serializable {
private static final long serialVersionUID = 996890129747019948L;
private String name;
private transient String psw;
public UserInfo(String name, String psw) {
this.name = name;
this.psw = psw;
}
public String toString() {
return "name=" + name + ", psw=" + psw;
}
}
public class TestTransient {
public static void main(String[] args) {
UserInfo userInfo = new UserInfo("张三", "123456");
System.out.println(userInfo);
try {
// 序列化，被设置为transient的属性没有被序列化
ObjectOutputStream o = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("UserInfo.out"));
o.writeObject(userInfo);
o.close();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
try {
// 重新读取内容
ObjectInputStream in = new ObjectInputStream(new FileInputStream("UserInfo.out"));
UserInfo readUserInfo = (UserInfo) in.readObject();
// 读取后psw的内容为null
System.out.println(readUserInfo.toString());
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}被标记为transient的属性在对象被序列化的时候不会被保存。回到ArrayList的分析中
2) 构造方法：
ArrayList提供了三种方式的构造器，可以构造一个默认初始容量为10的空列表、构造一个指定初始容量的空列表以及构造一个包含指定collection的元素的列表，这些元素按照该collection的迭代器返回它们的顺序排列的。
/**
* 构造一个具有指定初始容量的空列表。
*/
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);
}
}
/**
* 构造一个默认初始容量为10的空列表
*/
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
/**
* 构造一个包含指定集合元素的列表，按照集合的迭代器返回的顺序。
*/
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
Object[] a = c.toArray();
if ((size = a.length) != 0) {
if (c.getClass() == ArrayList.class) {
elementData = a;
} else {
elementData = Arrays.copyOf(a, size, Object[].class);
}
} else {
// 替换为空数组。
elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}
}3) 元素存储：
ArrayList提供了set(int index, E element)、add(E e)、add(int index, E element)、addAll(Collection<? extends E> c)、addAll(int index, Collection<? extends E> c)这些添加元素的方法。
下面我们一一讲解：
// 用指定的元素替代此列表中指定位置上的元素，并返回以前位于该位置上的元素。
public E set(int index, E element) {
RangeCheck(index);
E oldValue = (E) elementData[index];
elementData[index] = element;
return oldValue;
}
// 将指定的元素添加到此列表的尾部。
public boolean add(E e) {
// 增加modCount
ensureCapacity(size + 1);
elementData[size++] = e;
return true;
}
// 将指定的元素插入此列表中的指定位置。
// 如果当前位置有元素，则向右移动位于该位置的元素及所有后续元素（其索引加1）。
public void add(int index, E element) {
// if (index > size || index < 0)
// throw new IndexOutOfBoundsException("Index: " + index + ", Size: " + size);
rangeCheckForAdd(index);
// 如果数组长度不足，将进行扩容。
ensureCapacity(size + 1); // 增加modCount
// 将 elementData中从Index位置开始、长度为size-index的元素，
// 拷贝到从下标为index+1位置开始的新的elementData数组中。
// 即将当前位于该位置的元素以及所有后续元素右移一个位置。
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index);
elementData[index] = element;
size++;
}
// 按照指定collection的迭代器所返回的元素顺序，将该collection中的所有元素添加到此列表的尾部。
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;
}
// 从指定的位置开始，将指定collection中的所有元素插入到此列表中。
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); // 增加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;
}ArrayList是基于数组实现的，属性中也看到了数组，具体是怎么实现的呢？
比如就这个添加元素的方法，如果数组大，则在将某个位置的值设置为指定元素即可，如果数组容量不够了呢？
看到add(E e)中先调用了ensureCapacity(size+1)方法，之后将元素的索引赋给elementData[size]， 而后size自增。
例如初次添加时，size为0，add将elementData[0]赋值为e，然后size设置为1（类似执行以下两条语句elementData[0]=e;size=1）。
将元素的索引赋给elementData[size]不是会出现数组越界的情况吗？这里关键就在ensureCapacity(size+1)中了。
4) 元素读取：
// 返回此列表中指定位置的元素。
public E get(int index) {
rangeCheck(index);
return elementData(index);
}5) 元素删除：
ArrayList提供了根据下标或者指定对象两种方式的删除功能。
如下：
// 删除此列表中指定位置的元素。将任何后续元素向左移动（从它们的索引中减去一个）。
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;
}首先是检查范围，修改modCount，保留将要被移除的元素，将移除位置之后的元素向前挪动一个位置，将list末尾元素置空（null），返回被移除的元素。
// 从此列表中删除第一次出现的指定元素（如果存在）。如果列表不包含该元素，则保持不变。
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;
}
// 私有删除方法，跳过边界检查并且不返回删除的值。
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;
}首先通过代码可以看到，当移除成功后返回true，否则返回 false。remove(Object o)中通过遍历 element 寻找是否存在传入对象，一旦找到就调用 fastRemove 移除对象。
为什么找到了元素就知道了index，不通过remove(index) 来移除元素呢？
因为 fastRemove 跳过了判断边界的处理，找到元素就相当于确定了 index 不会超过边界，而且 fastRemove 并不返回被移除的元素。
// 从此列表中删除索引介于两者之间的所有元素
protected void removeRange(int fromIndex, int toIndex) {
modCount++;
int numMoved = size - toIndex;
System.arraycopy(elementData, toIndex, elementData, fromIndex, numMoved);
int newSize = size - (toIndex-fromIndex);
for (int i = newSize; i < size; i++) {
elementData[i] = null;
}
size = newSize;
}执行过程是将 elementData 从 toIndex 位置开始的元素向前移动到 fromIndex，然后将 toIndex 位置之后的元素全部置空顺便修改size。
这个方法是protected，及受保护的方法，为什么这个方法被定义为protected呢？ 先看下面这个例子
ArrayList<Integer> ints = new ArrayList<Integer>(Arrays.asList(0, 1, 2, 3, 4, 5, 6)); ints.subList(2, 4).clear(); System.out.println(ints);
输出结果是[0, 1, 4, 5, 6]，结果是不是像调用了 removeRange(int fromIndex,int toIndex)！
6) 调整数组容量ensureCapacity：
从上面介绍的向ArrayList中存储元素的代码中，我们看到，每当向数组中添加元素时，都要去检查添加后元素的个数是否会超出当前数组的长度，如果超出，数组将会进行扩容，以满足添加数据的需求。
数组扩容通过一个公开的方法 ensureCapacity(int minCapacity) 来实现。
在实际添加大量元素前，我也可以使用ensureCapacity来手动增加ArrayList实例的容量，以减少递增式再分配的数量。
public void ensureCapacity(int minCapacity) {
modCount++;
int oldCapacity = elementData.length;
if (minCapacity > oldCapacity) {
Object oldData[] = elementData;
int newCapacity = (oldCapacity * 3) / 2 + 1; // 增加50%+1
if (newCapacity < minCapacity)
newCapacity = minCapacity;
// 通常接近 size
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
}从上述代码中可以看出，数组进行扩容时，会将老数组中的元素重新拷贝一份到新的数组中，每次数组 容量的增长大约是其原容量的1.5倍。
这种操作的代价是很高的，因此在实际使用时，我们应该尽量避 免数组容量的扩张。
当我们可预知要保存的元素的多少时，要在构造ArrayList实例时，就指定其容量， 以避免数组扩容的发生。
或者根据实际需求，通过调用ensureCapacity方法来手动增加ArrayList实例的容量。
// 为什么要用到 oldData[]Object oldData[] = elementData;
乍一看来后面并没有用到关于oldData， 这句话显得多此一举！但是这是一个牵涉到内存管理的类， 所以要 了解内部的问题 。
而且为什么这一句还在if的内部，这跟 elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); 这句是有关系的，下面这句Arrays.copyOf的实现时新创建了newCapacity大小的内存，然后把老的elementData放入。
好像也没有用到oldData，有什么问题 呢。
问题就在于旧的内存的引用是elementData， elementData指向了新的内存块，如果有一个局部变量oldData变量引用旧的内存块的话，在copy的过程中就会比较安全，因为这样证明这块老的内存依 然有引用，分配内存的时候就不会被侵占掉，然后copy完成后这个局部变量的生命期也过去了，然后释放才是安全的。
不然在copy的的时候万一新的内存或其他线程的分配内存侵占了这块老的内存，而 copy 还没有结束，这将是个严重的事情。
ArrayList还给我们提供了将底层数组的容量调整为当前列表保存的实际元素的大小的功能。
它可以通过trimToSize方法来实现。
代码如下：
// 将此ArrayList实例的容量修剪为列表的当前大小。可以使用此操作来最小化ArrayList实例的存储空间。
public void trimToSize() {
modCount++;
if (size < elementData.length) {
elementData = (size == 0) ? EMPTY_ELEMENTDATA : Arrays.copyOf(elementData, size);
}
}由于elementData的长度会被拓展，size标记的是其中包含的元素的个数。
所以会出现size很小但elementData.length很大的情况，将出现空间的浪费。
trimToSize将返回一个新的数组给elementData，元素内容保持不变，length和size相同，节省空间。
7) 转为静态数组toArray
注意ArrayList的两个转化为静态数组的toArray方法。
第一个，调用Arrays.copyOf将返回一个数组，数组内容是size个elementData的元素，即拷贝
elementData从0至size-1位置的元素到新数组并返回。
// 返回一个数组，该数组以适当的顺序包含此列表中的所有元素。
public Object[] toArray() { return Arrays.copyOf(elementData, size);}第二个，如果传入数组的长度小于size，返回一个新的数组，大小为size，类型与传入数组相同。
所传入数组长度与size相等，则将elementData复制到传入数组中并返回传入的数组。
若传入数组长度大于size，除了复制elementData外，还将把返回数组的第size个元素置为空。
/* 以适当的顺序返回一个包含此列表中所有元素的数组；
返回数组的运行时类型是指定数组的类型。
如果列表适合指定的数组，则在其中返回。
否则将使用指定数组的运行时类型和此列表的大小分配一个新数组。*/
public <T> T[] toArray(T[] a) {
if (a.length < size)
// 创建一个运行时类型的新数组
return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass());
System.arraycopy(elementData, 0, a, 0, size);
if (a.length > size)
a[size] = null;
return a;
}Fail-Fast机制：
ArrayList也采用了快速失败的机制，通过记录modCount参数来实现。
在面对并发的修改时，迭代器很快就会完全失败，而不是冒着在将来某个不确定时间发生任意不确定行为的风险
总结
关于ArrayList的源码，给出几点比较重要的总结：
- 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。
- 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。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。
- 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。
先看Arrays.copyof()方法，它有很多个重载的方法，但实现思路都是一样的，看看泛型版本的源码：
复制指定的数组，用空值截断或填充（如有必要），使副本具有指定的长度。
对于在原始数组和副本中都有效的所有索引，这两个数组将包含相同的值。对于副本中有效但不是原始索引的任何索引，副本将包含null。
当且仅当指定的长度大于原始数组的长度时，此类索引才会存在。// 生成的数组与原始数组的类完全相同。
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：
// newType类
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;
}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。
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。
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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