【Java集合源码剖析】ArrayList源码剖析

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ArrayList简介

    ArrayList是基于数组实现的,是一个动态数组,其容量能自动增长,类似于C语言中的动态申请内存,动态增长内存。

    ArrayList不是线程安全的,只能用在单线程环境下,多线程环境下可以考虑用Collections.synchronizedList(List l)函数返回一个线程安全的ArrayList类,也可以使用concurrent并发包下的CopyOnWriteArrayList类。

    ArrayList实现了Serializable接口,因此它支持序列化,能够通过序列化传输,实现了RandomAccess接口,支持快速随机访问,实际上就是通过下标序号进行快速访问,实现了Cloneable接口,能被克隆。

ArrayList源码剖析

    ArrayList的源码如下(加入了比较详细的注释):

[java] view plaincopy

  1. package java.util;    
  2. public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>    
  3. implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable    
  4. {    
  5. // 序列版本号  
  6. private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;    
  7. // ArrayList基于该数组实现,用该数组保存数据 
  8. private transient Object[] elementData;    
  9. // ArrayList中实际数据的数量  
  10. private int size;    
  11. // ArrayList带容量大小的构造函数。  
  12. public ArrayList(int initialCapacity) {    
  13. super();    
  14. if (initialCapacity < 0)    
  15. throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+    
  16.                                                initialCapacity);    
  17. // 新建一个数组  
  18. this.elementData = new Object[initialCapacity];    
  19.     }    
  20. // ArrayList无参构造函数。默认容量是10。  
  21. public ArrayList() {    
  22. this(10);    
  23.     }    
  24. // 创建一个包含collection的ArrayList  
  25. public ArrayList(Collection<? extends E> c) {    
  26.         elementData = c.toArray();    
  27.         size = elementData.length;    
  28. if (elementData.getClass() != Object[].class)    
  29.             elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);    
  30.     }    
  31. // 将当前容量值设为实际元素个数  
  32. public void trimToSize() {    
  33.         modCount++;    
  34. int oldCapacity = elementData.length;    
  35. if (size < oldCapacity) {    
  36.             elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);    
  37.         }    
  38.     }    
  39. // 确定ArrarList的容量。  
  40. // 若ArrayList的容量不足以容纳当前的全部元素,设置 新的容量=“(原始容量x3)/2 + 1”  
  41. public void ensureCapacity(int minCapacity) {    
  42. // 将“修改统计数”+1,该变量主要是用来实现fail-fast机制的  
  43.         modCount++;    
  44. int oldCapacity = elementData.length;    
  45. // 若当前容量不足以容纳当前的元素个数,设置 新的容量=“(原始容量x3)/2 + 1”  
  46. if (minCapacity > oldCapacity) {    
  47.             Object oldData[] = elementData;    
  48. int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1;    
  49. //如果还不够,则直接将minCapacity设置为当前容量
  50. if (newCapacity < minCapacity)    
  51.                 newCapacity = minCapacity;    
  52.             elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);    
  53.         }    
  54.     }    
  55. // 添加元素e  
  56. public boolean add(E e) {    
  57. // 确定ArrayList的容量大小  
  58.         ensureCapacity(size + 1);  // Increments modCount!!  
  59. // 添加e到ArrayList中  
  60.         elementData[size++] = e;    
  61. return true;    
  62.     }    
  63. // 返回ArrayList的实际大小  
  64. public int size() {    
  65. return size;    
  66.     }    
  67. // ArrayList是否包含Object(o)  
  68. public boolean contains(Object o) {    
  69. return indexOf(o) >= 0;    
  70.     }    
  71. //返回ArrayList是否为空  
  72. public boolean isEmpty() {    
  73. return size == 0;    
  74.     }    
  75. // 正向查找,返回元素的索引值  
  76. public int indexOf(Object o) {    
  77. if (o == null) {    
  78. for (int i = 0; i < size; i++)    
  79. if (elementData[i]==null)    
  80. return i;    
  81.             } else {    
  82. for (int i = 0; i < size; i++)    
  83. if (o.equals(elementData[i]))    
  84. return i;    
  85.             }    
  86. return -1;    
  87.         }    
  88. // 反向查找,返回元素的索引值  
  89. public int lastIndexOf(Object o) {    
  90. if (o == null) {    
  91. for (int i = size-1; i >= 0; i--)    
  92. if (elementData[i]==null)    
  93. return i;    
  94.         } else {    
  95. for (int i = size-1; i >= 0; i--)    
  96. if (o.equals(elementData[i]))    
  97. return i;    
  98.         }    
  99. return -1;    
  100.     }    
  101. // 反向查找(从数组末尾向开始查找),返回元素(o)的索引值  
  102. public int lastIndexOf(Object o) {    
  103. if (o == null) {    
  104. for (int i = size-1; i >= 0; i--)    
  105. if (elementData[i]==null)    
  106. return i;    
  107.         } else {    
  108. for (int i = size-1; i >= 0; i--)    
  109. if (o.equals(elementData[i]))    
  110. return i;    
  111.         }    
  112. return -1;    
  113.     }    
  114. // 返回ArrayList的Object数组  
  115. public Object[] toArray() {    
  116. return Arrays.copyOf(elementData, size);    
  117.     }    
  118. // 返回ArrayList元素组成的数组
  119. public <T> T[] toArray(T[] a) {    
  120. // 若数组a的大小 < ArrayList的元素个数;  
  121. // 则新建一个T[]数组,数组大小是“ArrayList的元素个数”,并将“ArrayList”全部拷贝到新数组中  
  122. if (a.length < size)    
  123. return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass());    
  124. // 若数组a的大小 >= ArrayList的元素个数;  
  125. // 则将ArrayList的全部元素都拷贝到数组a中。  
  126.         System.arraycopy(elementData, 0, a, 0, size);    
  127. if (a.length > size)    
  128.             a[size] = null;    
  129. return a;    
  130.     }    
  131. // 获取index位置的元素值  
  132. public E get(int index) {    
  133.         RangeCheck(index);    
  134. return (E) elementData[index];    
  135.     }    
  136. // 设置index位置的值为element  
  137. public E set(int index, E element) {    
  138.         RangeCheck(index);    
  139.         E oldValue = (E) elementData[index];    
  140.         elementData[index] = element;    
  141. return oldValue;    
  142.     }    
  143. // 将e添加到ArrayList中  
  144. public boolean add(E e) {    
  145.         ensureCapacity(size + 1);  // Increments modCount!!  
  146.         elementData[size++] = e;    
  147. return true;    
  148.     }    
  149. // 将e添加到ArrayList的指定位置  
  150. public void add(int index, E element) {    
  151. if (index > size || index < 0)    
  152. throw new IndexOutOfBoundsException(    
  153. "Index: "+index+", Size: "+size);    
  154.         ensureCapacity(size+1);  // Increments modCount!!  
  155.         System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,    
  156.              size - index);    
  157.         elementData[index] = element;    
  158.         size++;    
  159.     }    
  160. // 删除ArrayList指定位置的元素  
  161. public E remove(int index) {    
  162.         RangeCheck(index);    
  163.         modCount++;    
  164.         E oldValue = (E) elementData[index];    
  165. int numMoved = size - index - 1;    
  166. if (numMoved > 0)    
  167.             System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,    
  168.                  numMoved);    
  169.         elementData[--size] = null; // Let gc do its work  
  170. return oldValue;    
  171.     }    
  172. // 删除ArrayList的指定元素  
  173. public boolean remove(Object o) {    
  174. if (o == null) {    
  175. for (int index = 0; index < size; index++)    
  176. if (elementData[index] == null) {    
  177.                 fastRemove(index);    
  178. return true;    
  179.             }    
  180.         } else {    
  181. for (int index = 0; index < size; index++)    
  182. if (o.equals(elementData[index])) {    
  183.                 fastRemove(index);    
  184. return true;    
  185.             }    
  186.         }    
  187. return false;    
  188.     }    
  189. // 快速删除第index个元素  
  190. private void fastRemove(int index) {    
  191.         modCount++;    
  192. int numMoved = size - index - 1;    
  193. // 从"index+1"开始,用后面的元素替换前面的元素。  
  194. if (numMoved > 0)    
  195.             System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,    
  196.                              numMoved);    
  197. // 将最后一个元素设为null  
  198.         elementData[--size] = null; // Let gc do its work  
  199.     }    
  200. // 删除元素  
  201. public boolean remove(Object o) {    
  202. if (o == null) {    
  203. for (int index = 0; index < size; index++)    
  204. if (elementData[index] == null) {    
  205.                 fastRemove(index);    
  206. return true;    
  207.             }    
  208.         } else {    
  209. // 便利ArrayList,找到“元素o”,则删除,并返回true。  
  210. for (int index = 0; index < size; index++)    
  211. if (o.equals(elementData[index])) {    
  212.                 fastRemove(index);    
  213. return true;    
  214.             }    
  215.         }    
  216. return false;    
  217.     }    
  218. // 清空ArrayList,将全部的元素设为null  
  219. public void clear() {    
  220.         modCount++;    
  221. for (int i = 0; i < size; i++)    
  222.             elementData[i] = null;    
  223.         size = 0;    
  224.     }    
  225. // 将集合c追加到ArrayList中  
  226. public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {    
  227.         Object[] a = c.toArray();    
  228. int numNew = a.length;    
  229.         ensureCapacity(size + numNew);  // Increments modCount  
  230.         System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);    
  231.         size += numNew;    
  232. return numNew != 0;    
  233.     }    
  234. // 从index位置开始,将集合c添加到ArrayList  
  235. public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {    
  236. if (index > size || index < 0)    
  237. throw new IndexOutOfBoundsException(    
  238. "Index: " + index + ", Size: " + size);    
  239.         Object[] a = c.toArray();    
  240. int numNew = a.length;    
  241.         ensureCapacity(size + numNew);  // Increments modCount  
  242. int numMoved = size - index;    
  243. if (numMoved > 0)    
  244.             System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew,    
  245.                  numMoved);    
  246.         System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);    
  247.         size += numNew;    
  248. return numNew != 0;    
  249.     }    
  250. // 删除fromIndex到toIndex之间的全部元素。  
  251. protected void removeRange(int fromIndex, int toIndex) {    
  252.     modCount++;    
  253. int numMoved = size - toIndex;    
  254.         System.arraycopy(elementData, toIndex, elementData, fromIndex,    
  255.                          numMoved);    
  256. // Let gc do its work  
  257. int newSize = size - (toIndex-fromIndex);    
  258. while (size != newSize)    
  259.         elementData[--size] = null;    
  260.     }    
  261. private void RangeCheck(int index) {    
  262. if (index >= size)    
  263. throw new IndexOutOfBoundsException(    
  264. "Index: "+index+", Size: "+size);    
  265.     }    
  266. // 克隆函数  
  267. public Object clone() {    
  268. try {    
  269.             ArrayList<E> v = (ArrayList<E>) super.clone();    
  270. // 将当前ArrayList的全部元素拷贝到v中  
  271.             v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);    
  272.             v.modCount = 0;    
  273. return v;    
  274.         } catch (CloneNotSupportedException e) {    
  275. // this shouldn't happen, since we are Cloneable  
  276. throw new InternalError();    
  277.         }    
  278.     }    
  279. // java.io.Serializable的写入函数  
  280. // 将ArrayList的“容量,所有的元素值”都写入到输出流中  
  281. private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)    
  282. throws java.io.IOException{    
  283. // Write out element count, and any hidden stuff  
  284. int expectedModCount = modCount;    
  285.     s.defaultWriteObject();    
  286. // 写入“数组的容量”  
  287.         s.writeInt(elementData.length);    
  288. // 写入“数组的每一个元素”  
  289. for (int i=0; i<size; i++)    
  290.             s.writeObject(elementData[i]);    
  291. if (modCount != expectedModCount) {    
  292. throw new ConcurrentModificationException();    
  293.         }    
  294.     }    
  295. // java.io.Serializable的读取函数:根据写入方式读出  
  296. // 先将ArrayList的“容量”读出,然后将“所有的元素值”读出  
  297. private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)    
  298. throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {    
  299. // Read in size, and any hidden stuff  
  300.         s.defaultReadObject();    
  301. // 从输入流中读取ArrayList的“容量”  
  302. int arrayLength = s.readInt();    
  303.         Object[] a = elementData = new Object[arrayLength];    
  304. // 从输入流中将“所有的元素值”读出  
  305. for (int i=0; i<size; i++)    
  306.             a[i] = s.readObject();    
  307.     }    
  308. }  

几点总结

    关于ArrayList的源码,给出几点比较重要的总结:

    1、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。

    2、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(详见下面的第3点)。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。

    3、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。

    首先来看Arrays.copyof()方法。它有很多个重载的方法,但实现思路都是一样的,我们来看泛型版本的源码:

[java] view plaincopy

  1. public static <T> T[] copyOf(T[] original, int newLength) {  
  2. return (T[]) copyOf(original, newLength, original.getClass());  
  3. }  

    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:

[java] view plaincopy

  1. public static <T,U> T[] copyOf(U[] original, int newLength, Class<? extends T[]> newType) {  
  2.     T[] copy = ((Object)newType == (Object)Object[].class)  
  3.         ? (T[]) new Object[newLength]  
  4.         : (T[]) Array.newInstance(newType.getComponentType(), newLength);  
  5.     System.arraycopy(original, 0, copy, 0,  
  6.                      Math.min(original.length, newLength));  
  7. return copy;  
  8. }  

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。

    4、注意ArrayList的两个转化为静态数组的toArray方法。

    第一个,Object[] toArray()方法。该方法有可能会抛出java.lang.ClassCastException异常,如果直接用向下转型的方法,将整个ArrayList集合转变为指定类型的Array数组,便会抛出该异常,而如果转化为Array数组时不向下转型,而是将每个元素向下转型,则不会抛出该异常,显然对数组中的元素一个个进行向下转型,效率不高,且不太方便。

    第二个,<T> T[] toArray(T[] a)方法。该方法可以直接将ArrayList转换得到的Array进行整体向下转型(转型其实是在该方法的源码中实现的),且从该方法的源码中可以看出,参数a的大小不足时,内部会调用Arrays.copyOf方法,该方法内部创建一个新的数组返回,因此对该方法的常用形式如下:

[java] view plaincopy

  1. public static Integer[] vectorToArray2(ArrayList<Integer> v) {    
  2.     Integer[] newText = (Integer[])v.toArray(new Integer[0]);    
  3. return newText;    
  4. }    

    5、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。

    6、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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