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ArrayList 源码分析

article 2024/11/17 17:19:22

ArrayList 简介

ArrayList 的底层是数组队列，相当于动态数组。与 Java 中的数组相比，它的容量能动态增长。在添加大量元素前，应用程序可以使用ensureCapacity操作来增加 ArrayList 实例的容量。这可以减少递增式再分配的数量。

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


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

  }

List : 表明它是一个列表，支持添加、删除、查找等操作，并且可以通过下标进行访问。
RandomAccess ：这是一个标志接口，表明实现这个接口的 List 集合是支持 快速随机访问 的。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。
Cloneable ：表明它具有拷贝能力，可以进行深拷贝或浅拷贝操作。

Serializable : 表明它可以进行序列化操作，也就是可以将对象转换为字节流进行持久化存储或网络传输，非常方便。

ArrayList 类图

ArrayList 和 Vector 的区别?（了解即可）

ArrayList 是 List 的主要实现类，底层使用 Object[]存储，适用于频繁的查找工作，线程不安全。
Vector 是 List 的古老实现类，底层使用Object[] 存储，线程安全。

ArrayList 可以添加 null 值吗？

ArrayList 中可以存储任何类型的对象，包括 null 值。不过，不建议向ArrayList 中添加 null 值， null 值无意义，会让代码难以维护比如忘记做判空处理就会导致空指针异常。

示例代码：

ArrayList<String> listOfStrings = new ArrayList<>();
listOfStrings.add(null);
listOfStrings.add("java");
System.out.println(listOfStrings);

输出：

[null, java]

Arraylist 与 LinkedList 区别?

是否保证线程安全： ArrayList 和 LinkedList 都是不同步的，也就是不保证线程安全；
底层数据结构： ArrayList 底层使用的是 Object 数组；LinkedList 底层使用的是 双向链表 数据结构（JDK1.6 之前为循环链表，JDK1.7 取消了循环。注意双向链表和双向循环链表的区别，下面有介绍到！）
插入和删除是否受元素位置的影响：
- ArrayList 采用数组存储，所以插入和删除元素的时间复杂度受元素位置的影响。比如：执行add(E e)方法的时候， ArrayList 会默认在将指定的元素追加到此列表的末尾，这种情况时间复杂度就是 O(1)。但是如果要在指定位置 i 插入和删除元素的话（add(int index, E element)），时间复杂度就为 O(n)。因为在进行上述操作的时候集合中第 i 和第 i 个元素之后的(n-i)个元素都要执行向后位/向前移一位的操作。
- LinkedList 采用链表存储，所以在头尾插入或者删除元素不受元素位置的影响（add(E e)、addFirst(E e)、addLast(E e)、removeFirst()、 removeLast()），时间复杂度为 O(1)，如果是要在指定位置 i 插入和删除元素的话（add(int index, E element)，remove(Object o),remove(int index)），时间复杂度为 O(n) ，因为需要先移动到指定位置再插入和删除

是否支持快速随机访问： LinkedList 不支持高效的随机元素访问，而 ArrayList（实现了 RandomAccess 接口）支持。快速随机访问就是通过元素的序号快速获取元素对象(对应于get(int index)方法)。
内存空间占用： ArrayList 的空间浪费主要体现在在 list 列表的结尾会预留一定的容量空间，而 LinkedList 的空间花费则体现在它的每一个元素都需要消耗比 ArrayList 更多的空间（因为要存放直接后继和直接前驱以及数据）。

ArrayList 扩容机制分析

一步一步分析 ArrayList 扩容机制

这里以无参构造函数创建的 ArrayList 为例分析。

add 方法

/**
* 将指定的元素追加到此列表的末尾。
*/
public boolean add(E e) {
    // 加元素之前，先调用ensureCapacityInternal方法
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    // 这里看到ArrayList添加元素的实质就相当于为数组赋值
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

注意：JDK11 移除了 ensureCapacityInternal() 和 ensureExplicitCapacity() 方法

ensureCapacityInternal 方法的源码如下：

// 根据给定的最小容量和当前数组元素来计算所需容量。
private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
    // 如果当前数组元素为空数组（初始情况），返回默认容量和最小容量中的较大值作为所需容量
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    // 否则直接返回最小容量
    return minCapacity;
}

// 确保内部容量达到指定的最小容量。
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}

ensureCapacityInternal 方法非常简单，内部直接调用了 ensureExplicitCapacity 方法：

//判断是否需要扩容
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;
    //判断当前数组容量是否足以存储minCapacity个元素
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        //调用grow方法进行扩容
        grow(minCapacity);
}

我们来仔细分析一下：

当我们要 add 进第 1 个元素到 ArrayList 时，elementData.length 为 0 （因为还是一个空的 list），因为执行了 ensureCapacityInternal() 方法，所以 minCapacity 此时为 10。此时，minCapacity - elementData.length > 0成立，所以会进入 grow(minCapacity) 方法。
当 add 第 2 个元素时，minCapacity 为 2，此时 elementData.length(容量)在添加第一个元素后扩容成 10 了。此时，minCapacity - elementData.length > 0 不成立，所以不会进入（执行）grow(minCapacity) 方法。
添加第 3、4···到第 10 个元素时，依然不会执行 grow 方法，数组容量都为 10。

直到添加第 11 个元素，minCapacity(为 11)比 elementData.length（为 10）要大。进入 grow 方法进行扩容。

这里补充一点比较重要，但是容易被忽视掉的知识点：

Java 中的 length属性是针对数组说的,比如说你声明了一个数组,想知道这个数组的长度则用到了 length 这个属性.
Java 中的 length() 方法是针对字符串说的,如果想看这个字符串的长度则用到 length() 这个方法.
Java 中的 size() 方法是针对泛型集合说的,如果想看这个泛型有多少个元素,就调用此方法来查看!

hugeCapacity() 方法

从上面 grow() 方法源码我们知道：如果新容量大于 MAX_ARRAY_SIZE,进入(执行) hugeCapacity() 方法来比较 minCapacity 和 MAX_ARRAY_SIZE，如果 minCapacity 大于最大容量，则新容量则为

Integer.MAX_VALUE，否则，新容量大小则为 MAX_ARRAY_SIZE 即为 Integer.MAX_VALUE - 8。

private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
    if (minCapacity < 0) // overflow
        throw new OutOfMemoryError();
    // 对minCapacity和MAX_ARRAY_SIZE进行比较
    // 若minCapacity大，将Integer.MAX_VALUE作为新数组的大小
    // 若MAX_ARRAY_SIZE大，将MAX_ARRAY_SIZE作为新数组的大小
    // MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
    return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
        Integer.MAX_VALUE :
        MAX_ARRAY_SIZE;
}

`System.arraycopy()` 和 `Arrays.copyOf()`方法

阅读源码的话，我们就会发现 ArrayList 中大量调用了这两个方法。比如：我们上面讲的扩容操作以及add(int index, E element)、toArray() 等方法中都用到了该方法！

`System.arraycopy()` 方法

源码：

    // 我们发现 arraycopy 是一个 native 方法,接下来我们解释一下各个参数的具体意义
    /**
    *   复制数组
    * @param src 源数组
    * @param srcPos 源数组中的起始位置
    * @param dest 目标数组
    * @param destPos 目标数组中的起始位置
    * @param length 要复制的数组元素的数量
    */
    public static native void arraycopy(Object src,  int  srcPos,
                                        Object dest, int destPos,
                                        int length);

场景：

我们写一个简单的方法测试以下：

public class ArraycopyTest {

  public static void main(String[] args) {
    // TODO Auto-generated method stub
    int[] a = new int[10];
    a[0] = 0;
    a[1] = 1;
    a[2] = 2;
    a[3] = 3;
    System.arraycopy(a, 2, a, 3, 3);
    a[2]=99;
    for (int i = 0; i < a.length; i++) {
      System.out.print(a[i] + " ");
    }
  }

}

结果：

0 1 99 2 3 0 0 0 0 0

`Arrays.copyOf()`方法

源码：

    public static int[] copyOf(int[] original, int newLength) {
      // 申请一个新的数组
        int[] copy = new int[newLength];
  // 调用System.arraycopy,将源数组中的数据进行拷贝,并返回新的数组
        System.arraycopy(original, 0, copy, 0,
                         Math.min(original.length, newLength));
        return copy;
    }

场景：

   /**
     以正确的顺序返回一个包含此列表中所有元素的数组（从第一个到最后一个元素）; 返回的数组的运行时类型是指定数组的运行时类型。
     */
    public Object[] toArray() {
    //elementData：要复制的数组；size：要复制的长度
        return Arrays.copyOf(elementData, size);
    }

个人觉得使用 Arrays.copyOf()方法主要是为了给原有数组扩容，测试代码如下：

public class ArrayscopyOfTest {

  public static void main(String[] args) {
    int[] a = new int[3];
    a[0] = 0;
    a[1] = 1;
    a[2] = 2;
    int[] b = Arrays.copyOf(a, 10);
    System.out.println("b.length"+b.length);
  }
}

结果：