Java中的ArrayList集合源码解析
作者：初念初恋
前言
ArrayList是一种以数组实现的List，与数组相比，它具有动态扩展的能力，因此也可称之为动态数组。
在ArrayList集合里面可以存储任何类型的数据， 而且它是一个顺序容器，存放的数据顺序就是和我们放入的顺序是一致的，而且它还允许我们放入null元素。
继承体系
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{...}- ArrayList实现了List，提供了基础的添加、删除、遍历等操作。
- ArrayList实现了RandomAccess，提供了随机访问的能力。
- ArrayList实现了Cloneable，可以被克隆。
- ArrayList实现了Serializable，可以被序列化。
源码解析
属性
/**
* 默认容量
*/
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
/**
* 空数组，如果传入的容量为0时使用
*/
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/**
* 空数组，传传入容量时使用，添加第一个元素的时候会重新初始为默认容量大小
*/
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/**
* 存储元素的数组
*/
transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
/**
* 集合中元素的个数
*/
private int size;（1）DEFAULT_CAPACITY：默认容量为10，也就是通过new ArrayList()创建时的默认容量。
（2）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。
（3）DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA：也是空数组，这种是通过new ArrayList()创建时用的是这个空数组，与EMPTY_ELEMENTDATA的区别是在添加第一个元素时使用这个空数组的会初始化为DEFAULT_CAPACITY（10）个元素。
（4）elementData：真正存放元素的地方。
（5）size：真正存储元素的个数，而不是elementData数组的长度。
为什么ArrayList的elementData数组要加上transient修饰?
由于ArrayList有自动扩容机制，所以ArrayList的elementData数组大小往往比现有的元素数量大，如果不加transient直接序列化的话会把数组中空余的位置也序列化了，浪费不少的空间。
ArrayList中重写了序列化和反序列化对应的writeObject和readObject方法，在遍历数组元素时，以 size 作为结束标志，只序列化ArrayList中已经存在的元素。
ArrayList(int initialCapacity)构造方法
public ArrayList(int initialCapacity) {
if (initialCapacity > 0) {
// 如果传入的初始容量大于0，就新建一个数组存储元素
this.elementData = new Object[initialCapacity];
} else if (initialCapacity == 0) {
// 如果传入的初始容量等于0，使用空数组EMPTY_ELEMENTDATA
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
} else {
// 如果传入的初始容量小于0，抛出异常
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: " + initialCapacity);
}
}ArrayList()构造方法
public ArrayList() {
// 如果没有传入初始容量，则使用空数组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
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}ArrayList 构造方法
/**
* 把传入集合的元素初始化到ArrayList中
*/
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
// 集合转数组
elementData = c.toArray();
if ((size = elementData.length) != 0) {
// 检查c.toArray()返回的是不是Object[]类型，如果不是，重新拷贝成Object[].class类型
if (elementData.getClass() != Object[].class)
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
} else {
// 如果c的空集合，则初始化为空数组EMPTY_ELEMENTDATA
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}
}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(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));
}ArrayList在新增的时候为什么慢？
通过以上的源码，我们可以看出ArrayList有指定index新增，也有直接新增的，在这之前他会有一步校验长度的判断ensureCapacityInternal，就是说如果长度不够，是需要扩容的。
在扩容的时候，老版本的jdk和8以后的版本是有区别的，8之后的效率更高了，采用了位运算，右移一位，其实就是除以2这个操作。int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);新增后的数组容量是旧数组容量的1.5倍。
指定位置新增的时候，在校验之后的操作很简单，就是数组的copy，System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index);，为了更好的解释，这里画个图，如下：
比如有下面这样一个数组我需要在index 4 的位置去新增一个元素 a
从代码里面我们可以看到，它复制了一个数组，是从index 4 的位置开始的，然后把它放在了index 4+1 的位置
给我们要新增的元素腾出了位置，然后在index的位置放入元素a就完成了新增的操作了。
这只是在一个这么小的List里面操作，要是我去一个几百几千几万大小的List新增一个元素，那就需要后面所有的元素都复制，然后如果再涉及到扩容啥的就更慢了不是嘛。
addAll 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;
}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];
}（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(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
}（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。
retainAll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;
}（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
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，扩容时，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。
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