List集合之ArrayList

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ArrayList集合是我们在单线程环境中使用最频繁的集合之一，它不支持线程安全的操作，支持随机访问，支持动态扩容，其底层数据结构为数组。其关键的成员变量如下：

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
 private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
 private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
 private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
 transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
 private int size;
}

DEFAULT_CAPACITY：表示的是默认初始化容量

EMPTY_ELEMENTDATA：初始化ArrayList时使用，为空数组

DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA：第一次添加数据时使用，默认情况下，第一次扩容的依据

elementData：主要用于存储ArrayList集合中的数据对象的引用，为了简化嵌套类的访问限制，没有使用private修饰符进行修饰；

size：ArrayList集合的容量

ArrayList的初始化和扩容操作

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);
    }
}


public ArrayList() {
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}


public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
    Object[] a = c.toArray();
    if ((size = a.length) != 0) {
        if (c.getClass() == ArrayList.class) {
            elementData = a;
        } else {
            elementData = Arrays.copyOf(a, size, Object[].class);
        }
    } else {
        // replace with empty array.
        elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
}

ArrayList有三个构造参数，其中第一个构造参数中的initialCapacity表示的是初始化容量的大小，如果初始化容量小于0，那么将会抛出IllegalArgumentException异常，如果不指定初始化容量，也就是第二个构造方法或者第一个构造方法中initialCapacity等于0的场景，以及第三个构造方法中Collection<? extends E> c为空集合的场景，都会将elementData初始化成空数组；

当ArrayList处于空集合状态的时候，我们向ArrayList中添加元素的时候，ArrayList集合都会使用grow(int)方法将elementData数组扩容成一个新的容量为10的数组；

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);
}

根据以上源码我们可知，ArrayList默认的新容量为原容量的1.5倍，也就是增加50% ，然后和传入的minCapacity作对比，取较大的容量，一般情况下都是按照1.5倍进行扩容；因为数组在完成初始化之后，其容量不能改变。所以ArrayList需要创建一个容量更大的数组，然后将原数组的数据对象一次复制到新的数组中；

ArrayList的add操作

ArrayList的add操作主要涉及两个方法，一个是add(E) 和 add(index, E);

public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

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++;
}

在ensureCapacityInternal方法中会对modCount进行修改；modCount表示的是安全修改的次数，如果在高并发的情况下对ArrayList操作，会抛出ConcurrentModificationException异常，ArrayList不是线程安全的集合，我们从add方法中也可以看出来比如说size++ 等；

使用add(index, E)方法，调用者可以在有效的索引位上插入一个新的数据对象，在插入新的数据对象前，会将这个索引位以及后续索引位上的所有对象向后移动1位；最后将当前索引位上设置新值，进行size++；

ArrayList的特点总结

1. ArrayList底层是数组实现的，默认的初始容量为10，但是使用者可以指定初始化容量，如果没有指定，将会创建一个空数组，然后扩展为容量为10的数组
2. ArrayList扩容按照1.5倍扩容；
3. ArrayList集合并不是线程安全的，modCount借鉴了CAS思想，进行快速失败处理
4. ArrayList对集合的序列化和反序列化进行了优化，只会对已使用的索引位进行序列化，不会对未使用的索引位进行序列化