【JDK1.8】JDK1.8集合源码阅读——ArrayList
【JDK1.8】JDK1.8集合源码阅读——ArrayList
一、前言
在前面几篇，我们已经学习了常见了Map，下面开始阅读实现Collection接口的常见的实现类。在有了之前源码的铺垫之后，我们后面的阅读之路将会变得简单很多，因为很多Collection的结构与Map的类似，甚至有不少是直接用了Map里的方法。接下来让我们一起来看一下ArrayList的源码。
二、ArrayList结构概览
顾名思义，ArrayList的结构实际就是一个Object[]。所以它的特性很明显，插入一个元素的时候，是耗时是一个常量时间O(1)，在插入n个元素的时候，需要的时间就是O(n)。其他的操作中，运行的时间也是一个线性的增长（与数组中的元素个数有关）。
三、ArrayList源码阅读
3.1 ArrayList的继承关系
其中值得一提的是RandomAccess接口，该接口的目的是这么说的：
List实现所使用的标记接口，用来表明其支持快速（通常是固定时间）随机访问。此接口的主要目的是允许一般的算法更改其行为，从而在将其应用到随机或连续访问列表时能提供良好的性能。
对于顺序访问的list，比如LinkedList，使用Iterator访问会比使用for-i来遍历list更快。这一点其实很好理解，当对于LinkedList使用get(i)的时候，由于是链表结构，所以每次都会从表头开始向下搜索，耗时肯定会多。
对于实现RandomAccess这个接口的类，如ArrayList，我们在遍历的时候，使用for(int i = 0; i < size; i++)来遍历，其速度比使用Iterator快（接口上是这么写的）。但是笔者看源码的时候，Iterator里使用的也是i++，这种遍历，无非是增加了fail-fast判断，估计就是这个导致了性能的差距，但是没有LinkedList这么大。笔者循环了 1000 * 1000 次，贴出比较结果，仅供参考，有兴趣的朋友们可以试一试，循环次数越多越明显：
----------now is arraylist----------
使用Iterator迭代一共花了19ms时间
使用for-i迭代一共花了9ms时间
----------now is linkedList----------
使用Iterator迭代一共花了17ms时间
使用for-i迭代一共花了434ms时间而其继承的AbstractList主要给ArrayList提供了诸如add，get，set，remove的集合方法。
3.2 ArrayList的成员变量
//初始化默认容量
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
// 空对象数组
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
// 默认容量的空对象数组
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
// 实际存储对象的数组
transient Object[] elementData;
// 存储的数量
private int size;
// 数组能申请的最大数量
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;特别说明一下： EMPTY_ELEMENTDATA 和 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA是为了在调用构造方法的时候，给elementData数组初始化，当elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA的时候，当ArrayList第一次插入元素的时候，它的数组大小将会被初始化为DEFAULT_CAPACITY。而EMPTY_ELEMENTDATA可以理解为初始化的时候size=0，下面让我们看下构造方法，来更加清楚的理解。
3.3 ArrayList的构造方法
3.3.1 ArrayList()
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}当调用默认构造函数的时候，给elementData指向DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA。
3.3.2 ArrayList(int initialCapacity)
public ArrayList(int initialCapacity) {
// 当 initialCapacity > 0 时，初始化对应大小的数组
if (initialCapacity > 0) {
this.elementData = new Object[initialCapacity];
// 为 0 时，用指向EMPTY_ELEMENTDATA
} else if (initialCapacity == 0) {
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
} else {
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+ initialCapacity);
}
}这里当initialCapacity=0的时候，就是上述提到的情况。
3.3.3 ArrayList(Collection<? extends E> c)
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
elementData = c.toArray();
if ((size = elementData.length) != 0) {
// c.toArray不返回Object[]的时候，则进行数组拷贝
if (elementData.getClass() != Object[].class)
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
} else {
// 如果为空，则指向EMPTY_ELEMENTDATA
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}
}3.4 ArrayList的重要方法
3.4.1 get(int index)
public E get(int index) {
rangeCheck(index);
return elementData(index);
}
E elementData(int index) {
return (E) elementData[index];
}get方法很简单，就是先检查index范围是否正确，正确的话从数组里取出元素。
private void rangeCheck(int index) {
// 如果index 大于 存储的个数，则抛出异常
if (index >= size)
// outOfBoundsMsg里面就是简单的字符串拼接。
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}这里值得一提的是：这里只判断了index >= size的情况，对于index < 0的情况没有判断，是因为在获取数组值的时候，如果为负数会抛出ArrayIndexOutOfBoundsException异常。
3.4.2 add(E e)
在看源码之前，我们先思考一个问题，往数组里添加元素的时候要注意什么：
- 对于刚初始化的数组，要初始化它的大小
- 判断数组大小是否足够，如果不够大，扩容
- 对于扩容要判断是否到达数组的最大数量
知道这些需要考虑之后，我们再来看看它的代码：
public boolean add(E e) {
//对上述的3个前提进行判断
ensureCapacityInternal(size + 1);
//赋值，然后指针走到下一个空位
elementData[size++] = e;
return true;
}我们接着来看ensureCapacityInternal()的方法代码：
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
// 上述情况一：初始化数组的大小
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
// 取minCapacity和DEFAULT_CAPACITY中较大的那个
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
// 检查有没有扩容的必要
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}ensureCapacityInternal()方法的作用就是对构造方法初始化的数组进行处理。
再来看一下ensureExplicitCapacity()：
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
// 修改次数的计数器(在AbstractList中定义的)
modCount++;
// 如果需要的空间大小 > 当前数组的长度，则进行扩容
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}ensureExplicitCapacity()检查是否需要扩容。
private void grow(int minCapacity) {
// 记录旧的length
int oldCapacity = elementData.length;
// 扩容1.5倍, 位运算符效率更高
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
// 判断有没有溢出
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
// 判断有没有超过最大的数组大小
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
//计算最大的容量
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
// 旧数组拷贝到新的大小数组
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
// 最大的容量
private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
// 大小溢出
if (minCapacity < 0)
throw new OutOfMemoryError();
// 需要的最小容量 > 数组最大的长度，则取Integer的最大值，否则取数组最大长度
return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
Integer.MAX_VALUE :
MAX_ARRAY_SIZE;
}最后的grow()扩容就是判断有没有超过数组的最大长度，以及对应的处理。
3.4.3 remove(int index)
public E remove(int index) {
rangeCheck(index);
// 修改计数器
modCount++;
// 记录旧值，返回
E oldValue = elementData(index);
// 计算要往前移动的元素个数
int numMoved = size - index - 1;
//个数大于0，进行拷贝，从index+1开始，拷贝numMoved个，拷贝起始位置是index
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
numMoved);
// 设置为null，以便GC
elementData[--size] = null;
return oldValue;
}对于被删除的元素，其后面的元素需要往前移。
3.4.4 remove(Object o)
public boolean remove(Object o) {
// 判断o为null，loop遍历找到为null的元素
if (o == null) {
for (int index = 0; index < size; index++)
if (elementData[index] == null) {
fastRemove(index);
return true;
}
// 不为null
} else {
for (int index = 0; index < size; index++)
if (o.equals(elementData[index])) {
fastRemove(index);
return true;
}
}
return false;
}
// 与上面的remove(int index) 类似
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;
}3.4.5 set(int index, E element)
public E set(int index, E element) {
rangeCheck(index);
// 记录旧的值
E oldValue = elementData(index);
//在原位置设置新的值
elementData[index] = element;
return oldValue;
}设置index位置的元素值为element，返回该位置的原来的值
3.4.6 addAll(Collection<? extends E> c)
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
Object[] a = c.toArray();
int numNew = a.length;
// 对于新的最小长度进行判断处理
ensureCapacityInternal(size + numNew);
//将a数组，从index-0开始，拷贝numNew个，到elementData的size位置
System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
//将size增加numNew个
size += numNew;
return numNew != 0;
}四、总结
ArrayList在随机访问的时候，数组的结构导致访问效率比较高，但是在指定位置插入，以及删除的时候，需要移动大量的元素，导致效率低下，在使用的时候要根据场景特点来选择，另外注意循环访问的方式选择。最后谢谢各位园友观看，如果有描述不对的地方欢迎指正，与大家共同进步！