深入Java集合：ArrayList实现原理

概述

ArrayList 是 List 接口的可变数组的实现。实现了所有可选列表操作，并允许包括 null 在内的所有元素。除了实现 List接口外，此类还提供一些方法来操作内部用来存储列表的数组的大小。

每个 ArrayList实例都有一个容量，该容量是指用来存储列表元素的数组的大小。它总 是至少等于列表的大小。随着向 ArrayList中不断添加元素，其容量也自动增长。自动增长 会带来数据向新数组的重新拷贝，因此，如果可预知数据量的多少，可在构造 ArrayList时 指定其容量。在添加大量元素前，应用程序也可以使用 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。

注意，此实现不是同步的。如果多个线程同时访问一个 ArrayList实例，而其中至少一 个线程从结构上修改了列表，那么它必须保持外部同步。

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)  底层使用数组实现

private transient Object[] elementData;

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。

 public ArrayList() {this(10);}public ArrayList(intinitialCapacity) {super();if (initialCapacity < 0)throw new IllegalArgumentException("IllegalCapacity:"+ initialCapaci ty);this.elementData = new Object[initialCapacity];}public ArrayList(Collection<? extendsE> c) {elementData = c.toArray();size = elementData.length;// c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)if (elementData.getClass() != Object[].class)elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);}

3)  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 Eset(intindex, E element){RangeCheck(index);E oldValue = (E) elementData[index];elementData[index] = element;returnoldValue;}

 // 将指定的元素添加到此列表的尾部。publicbooleanadd(E e) {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，则向右移动当前位于该位置的元素以及所有后续元素（将其索引加 1）。publicvoidadd(intindex, Eelement) {if (index > size ||index < 0)throw new IndexOutOfBoundsException("Index:"+index+",Size:"+siz e);// 如果数组长度不足，将进行扩容。ensureCapacity(size+1);  // IncrementsmodCount!!// 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 - inde x);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<? extendsE> c) {Object[]a= c.toArray();int numNew = a.length;ensureCapacity(size + numNew); //IncrementsmodCountSystem.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(intindex, Collection<? extendsE> c) {if (index > size ||index < 0)throw new IndexOutOfBoundsException("Index: " +index + ", Size: "+ size);Object[]a= c.toArray();int numNew = a.length;ensureCapacity(size + numNew); //IncrementsmodCountint numMoved = size - index;if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew, numM oved);System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);size += numNew;return numNew != 0;}

4) 读取：

// 返回此列表中指定位置上的元素。

public E get(intindex) {RangeCheck(index);return(E) elementData[index];}

5)  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：

// 移除此列表中指定位置上的元素。public E remove(intindex) {RangeCheck(index);modCount++;E oldValue = (E) elementData[index];int numMoved = size - index - 1;if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMove d);elementData[--size] = null; // Let gc do its workreturn oldValue;
}

 // 移除此列表中首次出现的指定元素（如果存在）。这是应为 ArrayList 中允许存放重复的元素。public boolean remove(Object o){// 由于 ArrayList中允许存放null，因此下面通过两种情况来分别处理。if (o == null) {for(int index = 0; index < size; index++)if (elementData[index] == null) {// 类似 remove(intindex)，移除列表中指定位置上的元素。fast Remove(index);return true;}
}else{for(int index = 0; index < size; index++)if(o.equals(elementData[index])) {fastRemove(index);return true;}}return false;}

注意：从数组中移除元素的操作，也会导致被移除的元素以后的所有元素的向左移动一个位置。

6)  调整数组容量

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(intminCapacity) {modCount++;int oldCapacity = elementData.length;if (minCapacity > oldCapacity) {Object oldData[] = elementData;int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2+ 1;if (newCapacity < minCapacity)newCapacity = minCapacity;// minCapacity is usually close to size, so this is a win: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。