List集合之ArrayList分析

List集合之ArrayList分析

ArrayList是List集合的列表经典实现，其底层采用定长数组实现，可以根据集合大小进行自动扩容

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

原理

为了深入理解ArrayList的原理，我们将从类的成员变量，构造方法，核心方法逐一分析

类成员变量

//默认初始化大小
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
//空列表数据，初始化如果没有指定大小，则将此值赋予elementData
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
//默认空列表数据，如果没有指定大小，那么将此值赋予elementData
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
//列表数据
transient Object[] elementData;
//列表大小
private int size;

构造方法

ArrayList一共有 3 个构造方法：

//空构造方法
public ArrayList() {
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
//指定大小
public ArrayList(int initialCapacity) {
        if (initialCapacity > 0) {
            this.elementData = new Object[initialCapacity];
        } else if (initialCapacity == 0) {
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        } else {
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                               initialCapacity);
        }
    }
//指定初始集合
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
        elementData = c.toArray();
        if ((size = elementData.length) != 0) {
            // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
            if (elementData.getClass() != Object[].class)
                elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
        } else {
            // replace with empty array.
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        }
    }

从第一个构造方法可以看到，如果没有指定大小，那么就将elementData赋值为DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA。而从第二个构造方法可以看到，如果指定了大小为0，那么就将elementData赋值为EMPTY_ELEMENTDATA。

核心方法

在ArrayList中最为核心的是获取，插入，删除，扩容这几个方法。

获取

获取的源码非常简单，只需对index做有效性校验。如果参数合法，那么直接返回对应数组下标的数据

public E get(int index) {
    rangeCheck(index);
    return elementData(index);
}

插入

插入一共有两种实现方式，第一种是直接插入列表尾部，另一种是插入某个位置

//直接插入尾部
public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    elementData[size++] = e;
    return true;
}
//插入某个位置
public void add(int index, E element) {
        rangeCheckForAdd(index);
    
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                         size - index);
        elementData[index] = element;
        size++;
    }

• 如果是直接插入尾部的话，那么只需调用ensureCapacityInternal方法做容量检测。如果空间足够，那么就插入，空间不够就扩容后插入。
• 如果是插入的是某个位置，那么就需要将index之后的所有元素后移一位，之后再将元素插入至index处

删除

ArrayList的删除方法有两个，分别是：

• 删除某个位置的元素：remove(int index) 删除某个具体的元素：remove(Object o)

我们先来看第一个删除方法：删除某个位置的元素

public E remove(int index) {
    rangeCheck(index);

    modCount++;
    E oldValue = elementData(index);

    int numMoved = size - index - 1;
    if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                         numMoved);
    elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work

    return oldValue;
}

上述代码的逻辑大致是这样的：首先做参数范围检测，接着将index位置后的所有元素都往前挪一位，最后减少列表大小。

第二个删除方法：删除某个特定的元素。

public boolean remove(Object o) {
    if (o == null) {
        for (int index = 0; index < size; index++)
            if (elementData[index] == null) {
                fastRemove(index);
                return true;
            }
    } else {
        for (int index = 0; index < size; index++)
            if (o.equals(elementData[index])) {
                fastRemove(index);
                return true;
            }
    }
    return false;
}

上述代码的逻辑大致是：首先，遍历列表的所有元素，找到需要删除的元素索引，左后调用fastRemove方法删除该元素。我们继续看看fastRemove方法的实现。

//用私有的方法 fastRemove 方法跳过边界，不返回删除值。
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; // clear to let GC do its work
}

这里有一个疑问，那就是为什么不直接复用remove(int index)方法，而要新写一个方法你？答案在 fastRemove 方法的注释中已经写了，就是为了跳过边界检查，提高效率。

扩容

扩容是ArrayList的核心方法，当插入的时候容量不足，便会触发扩容。我们可以看到在插入的两个方法中都调用了扩容方法——ensureCapacityInternal。

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }

    ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}

ensureCapacityInternal方法直接调用ensureExplicitCapacity实现

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;
    // overflow-conscious code
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);
}

ensureExplicitCapacity方法首先判断容量是否足够，如果不够就调用grow方法扩容。

private void grow(int minCapacity) {
    // overflow-conscious code
    int oldCapacity = elementData.length;
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

grow方法的大致逻辑为：将原有列表容量扩大为原来的1.5倍。如果还是不够，那么直接扩容为最小容量(minCapacity)。

总结

经过上面的分析，我们可以知道ArrayList有如下特点：

• 底层基于数组实现，读取速度快，修改慢(读取时间复杂度O(1)),修改复杂度O(N)。
• 非线程安全
• ArrayList每次默认扩容为原来的1.5倍。

获更多资料，公号《Java路》