Java-ArrayList源码分析

参考

JDK 源码

Overview

ArrayList是我们非常常用的一个集合，那么ArrayList是如何实现呢？

从一个小Demo开始分析

ArrayList<String> arrayList = new ArrayList<>();
arrayList.add("Hello");
if (arrayList.contains("Hello")) {
    System.out.println("[Hello] is in ArrayList!");
}
arrayList.remove("Hello");

构造函数

public ArrayList() {
    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
    //存储数据的集合
    transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
    //....
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

从构造函数可以看出，现在我们的集合是一个空集合，真正存储数据的数组也是一个长度为0的数组。

Add方法

public boolean add(E e) {
    modCount++;
    add(e, elementData, size);
    return true;
}

private void add(E e, Object[] elementData, int s) {
    //存储数据的数组已经全部被使用
    if (s == elementData.length)
        //扩张数组
        elementData = grow();
    elementData[s] = e;
    size = s + 1;
}

一个参数的add方法调用了private的add方法，在该方法中真正完成了向集合中添加元素。在添加元素的时候，如果size==存储数据的数组的长度，那么就表明数组已经存满了，这时候就需要将原本的数组进行扩张，如何扩张数组是通过 grow 方法来实现的。

Grow方法

private Object[] grow() {
    return grow(size + 1);
}

private Object[] grow(int minCapacity) {
    //复制当前数组到一个新的数组中(新的数组长度已经扩张过)
    return elementData = Arrays.copyOf(elementData,
                                       newCapacity(minCapacity));
}

//计算新的扩张长度
private int newCapacity(int minCapacity) {
    // overflow-conscious code
    int oldCapacity = elementData.length;
    //计算新的容量

    //新容量= 数组的长度+数组的长度向右位移1(例如:10>>1 = 5, 11>>1 = 5)
    //这种新容量的计算方式表明：当集合的长度越大时，集合每一次的扩张的幅度就会越来越大
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    //当新容量小于最小容量时，以最小容量为基准
    if (newCapacity - minCapacity <= 0) {
        //当数组中没有元素的时候，会执行这个分支
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)
            //返回最小容量和默认容量中较大的一个
            return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        if (minCapacity < 0) // overflow
            throw new OutOfMemoryError();
        return minCapacity;
    }
    
    return (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE <= 0)
        ? newCapacity
        : hugeCapacity(minCapacity);//极端情况，可以不考虑(几乎不会走到这个分支)
}

private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
    if (minCapacity < 0) // overflow
        throw new OutOfMemoryError();
    return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE)
        ? Integer.MAX_VALUE
        : MAX_ARRAY_SIZE;
}

Grow 方法是实现ArrayList长度可变的核心，其实现思想是

当数组存放满了的时候，就扩张数组(当集合中的元素的数量越多的时候，扩张的幅度就越大。) 而扩张数组是通过，建立新的数组(长度等于扩张后的长度)，然后将旧的数组中的元素填充到新数组中，这种方式来实现的。

Contains方法

Contains也是ArrayList集合非常常用的一个方法，用来判断集合中是否包含指定的元素。

public boolean contains(Object o) {
    return indexOf(o) >= 0;
}

public int indexOf(Object o) {
    return indexOfRange(o, 0, size);
}

int indexOfRange(Object o, int start, int end) {
    Object[] es = elementData;
    if (o == null) {
        for (int i = start; i < end; i++) {
            if (es[i] == null) {
                return i;
            }
        }
    } else {
        for (int i = start; i < end; i++) {
            if (o.equals(es[i])) {
                return i;
            }
        }
    }
    return -1;
}

contains方法最终调用了调用了indexOfRange方法，indexOfRange做的工作是，在集合指定的范围内判断是否包含指定的元素，如果包含就返回下标，否则就返回-1.

remove方法

public boolean remove(Object o) {
    final Object[] es = elementData;
    final int size = this.size;
    int i = 0;
    //搜寻指定元素
    found: {
        if (o == null) {
            for (; i < size; i++)
                if (es[i] == null)
                    break found;
        } else {
            for (; i < size; i++)
                if (o.equals(es[i]))
                    break found;
        }
        return false;
    }
    //移除元素
    fastRemove(es, i);
    return true;
}

private void fastRemove(Object[] es, int i) {
    modCount++;
    final int newSize;
    //如果不是在数组的末尾移除元素
    if ((newSize = size - 1) > i)
        //将i之后所有元素向前移动一个下标
        System.arraycopy(es, i + 1, es, i, newSize - i);
    es[size = newSize] = null;
}

remove方法的逻辑很清晰:

首先找到需要移除的元素的下标
判断下标是否是在集合的中间
如果下标在集合的中间，那么表明需要将该下标后面的元素全部向前移动一位下标。
将数组的最后一个元素设置为null

总结

ArrayList通过数组实现了可变集合，但是我们从源码中可以看出来，如果要增加删除元素的话，是非常消耗资源和时间的(因为在频繁的操作数组)，但是访问的时候是特别的快的(直接通过下标访问即可)。

可以得出结论: ArrayList不适合频繁的增加删除，但是适合查询。