轉載自??jdk1.8.0_45源碼解讀——ArrayList的實現

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一、ArrayList概述

　　ArrayList是List接口的可變數組的實現。實現了所有可選列表操作，并允許包括 null 在內的所有元素。除了實現 List 接口外，此類還提供一些方法來操作內部用來存儲列表的數組的大小。
　　每個ArrayList實例都有一個容量，該容量是指用來存儲列表元素的數組的大小。它總是至少等于列表的大小。隨著向ArrayList中不斷添加元素，其容量也自動增長。自動增長會帶來數據向新數組的重新拷貝，因此，如果可預知數據量的多少，可在構造ArrayList時指定其容量。在添加大量元素前，應用程序也可以使用ensureCapacity操作來增加ArrayList實例的容量，這可以減少遞增式再分配的數量。?
　　注意，此實現不是同步的。如果多個線程同時訪問一個ArrayList實例，而其中至少一個線程從結構上修改了列表，那么它必須保持外部同步。這通常是通過同步那些用來封裝列表的對象來實現的。但如果沒有這樣的對象存在，則該列表需要運用{@link Collections#synchronizedList Collections.synchronizedList}來進行“包裝”，該方法最好是在創建列表對象時完成，為了避免對列表進行突發的非同步操作。

List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList(...));

　建議在單線程中才使用ArrayList，而在多線程中可以選擇Vector或者CopyOnWriteArrayList。

二、ArrayList源碼解析

1. ArrayList類結構

//通過ArrayList實現的接口可知，其支持隨機訪問，能被克隆，支持序列化 public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {//序列版本號private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;//默認初始容量private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;//被用于空實例的共享空數組實例private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};//被用于默認大小的空實例的共享數組實例。其與EMPTY_ELEMENTDATA的區別是：當我們向數組中添加第一個元素時，知道數組該擴充多少。private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};/*** Object[]類型的數組，保存了添加到ArrayList中的元素。ArrayList的容量是該Object[]類型數組的長度* 當第一個元素被添加時，任何空ArrayList中的elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA將會被* 擴充到DEFAULT_CAPACITY（默認容量）。*/transient Object[] elementData; //非private是為了方便嵌套類的訪問// ArrayList的大小（指其所含的元素個數）private int size;...... }

ArrayList包含了兩個重要的對象：elementData 和 size。

(01)?elementData?是"Object[] 類型的數組"，它保存了添加到ArrayList中的元素。實際上，elementData是個動態數組，我們能通過構造函數 ArrayList(int initialCapacity)來執行它的初始容量為initialCapacity；如果通過不含參數的構造函數ArrayList()來創建 ArrayList，則elementData的容量默認是10。elementData數組的大小會根據ArrayList容量的增長而動態的增長，具 體的增長方式，請參考源碼分析中的ensureCapacity()函數。

(02)?size?則是動態數組的實際大小。

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2. 構造函數

ArrayList提供了三種方式的構造器，可以構造一個默認初始容量為10的空列表、構造一個指定初始容量的空列表以及構造一個包含指定collection的元素的列表，這些元素按照該collection的迭代器返回的順序排列的。

/*** 構造一個指定初始容量的空列表* @param initialCapacity ArrayList的初始容量* @throws IllegalArgumentException 如果給定的初始容量為負值*/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);}}// 構造一個默認初始容量為10的空列表public ArrayList() {this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;}/*** 構造一個包含指定collection的元素的列表，這些元素按照該collection的迭代器返回的順序排列的* @param c 包含用于去構造ArrayList的元素的collection* @throws NullPointerException 如果指定的collection為空*/public ArrayList(Collection<? extends E> c) {elementData = c.toArray();if ((size = elementData.length) != 0) {// c.toArray()可能不會正確地返回一個 Object[]數組，那么使用Arrays.copyOf()方法if (elementData.getClass() != Object[].class)//Arrays.copyOf()返回一個 Object[].class類型的，大小為size，元素為elementData[0,...,size-1]elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);} else {// replace with empty array.this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;}}

此處重點說明一下，ArrayList是如何構造一個默認初始容量為10的空列表的？

// 構造一個默認初始容量為10的空列表 public ArrayList() {this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA; //DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {} } //而在在JDK1.6中，其構造函數為 public ArrayList() { this(10); //public ArrayList(int initialCapacity)中this.elementData = new Object[initialCapacity]; }

ArrayList構造一個默認初始容量為10的空列表：

1) 初始情況：elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {}； size = 0;

2) 當向數組中添加第一個元素時，通過add(E e)方法中調用的ensureCapacityInternal(size + 1)方法，即ensureCapacityInternal(1)；

3) 在ensureCapacityInternal(int minCapacity)方法中，可得的minCapacity=DEFAULT_CAPACITY=10，然后再調用ensureExplicitCapacity(minCapacity)方法，即ensureExplicitCapacity(10)；

4) 在ensureExplicitCapacity(minCapacity)方法中調用grow(minCapacity)方法，即grow(10)，此處為真正具體的數組擴容的算法，在此方法中，通過elementData = Arrays.copyOf(elementData,?10)具體實現了elementData數組初始容量為10的構造。

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3. 調整數組的容量

　　從add()與addAll()方法中可以看出，每當向數組中添加元素時，都要去檢查添加元素后的個數是否會超出當前數組的長度，如果超出，數組將會進行擴容，以滿足添加數據的需求。數組擴容實質上是通過私有的方法ensureCapacityInternal(int minCapacity) -> ensureExplicitCapacity(int minCapacity) -> grow(int minCapacity)來實現的，但在jdk1.8中，向用戶提供了一個public的方法ensureCapacity(int minCapacity)使用戶可以手動的設置ArrayList實例的容量，以減少遞增式再分配的數量。此處與jdk1.6中直接通過一個公開的方法ensureCapacity(int minCapacity)來實現數組容量的調整有區別。

/*** public方法，讓用戶能手動設置ArrayList的容量* @param minCapacity 期望的最小容量*/public void ensureCapacity(int minCapacity) {int minExpand = (elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)// any size if not default element table? 0// larger than default for default empty table. It's already// supposed to be at default size.: DEFAULT_CAPACITY;if (minCapacity > minExpand) {ensureExplicitCapacity(minCapacity);}}private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {//當elementData為空時，ArrayList的初始容量最小為DEFAULT_CAPACITY（10）if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);}ensureExplicitCapacity(minCapacity);}private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {modCount++;// overflow-conscious codeif (minCapacity - elementData.length > 0)grow(minCapacity);}//數組可被分配的最大容量；當需要的數組尺寸超過VM的限制時，可能導致OutOfMemoryErrorprivate static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;/*** 增加數組的容量，確保它至少能容納指定的最小容量的元素量* @param minCapacity 期望的最小容量*/private void grow(int minCapacity) {// overflow-conscious codeint oldCapacity = elementData.length;//注意此處擴充capacity的方式是將其向右一位再加上原來的數，實際上是擴充了1.5倍int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);if (newCapacity - minCapacity < 0)newCapacity = minCapacity;if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0) newCapacity = hugeCapacity(minCapacity); //設置數組可被分配的最大容量// minCapacity is usually close to size, so this is a win:elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);}private static int hugeCapacity(int minCapacity) {if (minCapacity < 0) // overflowthrow new OutOfMemoryError();return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?Integer.MAX_VALUE :MAX_ARRAY_SIZE;}

附：jdk1.6中ensureCapacity(int minCapacity)方法：

// 確定ArrarList的容量。 // 若ArrayList的容量不足以容納當前的全部元素，設置 新的容量=“(原始容量x3)/2 + 1”public void ensureCapacity(int minCapacity) {modCount++; // 將“修改統計數”+1int oldCapacity = elementData.length;if (minCapacity > oldCapacity) {Object oldData[] = elementData;int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1;if (newCapacity < minCapacity)newCapacity = minCapacity;elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);}}

為什么ArrayList自動容量擴充選擇擴充1.5倍？

這種算法構造出來的新的數組長度的增量都會比上一次大( 而且是越來越大) ，即認為客戶需要增加的數據很多，而避免頻繁newInstance 的情況。

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4.添加元素

ArrayList提供了add(E e)、add(int index, E element)、addAll(Collection<? extends E> c)、addAll(int index, Collection<? extends E> c)這些添加元素的方法。

//將指定的元素(E e)添加到此列表的尾部public boolean add(E e) {ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!elementData[size++] = e;return true;}//將指定的元素(E e)插入到列表的指定位置(index)public void add(int index, E element) {rangeCheckForAdd(index); //判斷參數index是否IndexOutOfBoundsExceptionensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!! 如果數組長度不足，將進行擴容System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,size - index); //將源數組中從index位置開始后的size-index個元素統一后移一位elementData[index] = element;size++;}/*** 按照指定collection的迭代器所返回的元素順序，將該collection中的所有元素添加到此列表的尾部* @throws NullPointerException if the specified collection is null*/public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {Object[] a = c.toArray();int numNew = a.length;ensureCapacityInternal(size + numNew); // Increments modCount//將數組a[0,...,numNew-1]復制到數組elementData[size,...,size+numNew-1]System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew); size += numNew;return numNew != 0;}/*** 從指定的位置開始，將指定collection中的所有元素插入到此列表中，新元素的順序為指定collection的迭代器所返回的元素順序* @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}* @throws NullPointerException if the specified collection is null*/public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {rangeCheckForAdd(index); //判斷參數index是否IndexOutOfBoundsExceptionObject[] a = c.toArray();int numNew = a.length;ensureCapacityInternal(size + numNew); // Increments modCountint numMoved = size - index;if (numMoved > 0)//先將數組elementData[index,...,index+numMoved-1]復制到elementData[index+numMoved,...,index+2*numMoved-1]//即，將源數組中從index位置開始的后numMoved個元素統一后移numNew位System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew,numMoved);//再將數組a[0,...,numNew-1]復制到數組elementData[index,...,index+numNew-1]System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);size += numNew;return numNew != 0;}

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5.刪除元素

ArrayList提供了remove(int index)、remove(Object o)、clear()、removeRange(int fromIndex, int toIndex)、removeAll(Collection<?> c)、retainAll(Collection<?> c)這些刪除元素的方法。

/*** 移除此列表中指定位置上的元素* @param index 需被移除的元素的索引* @return the element 被移除的元素值* @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}*/public E remove(int index) {rangeCheck(index); //判斷index是否 <= sizemodCount++;E oldValue = elementData(index);//將數組elementData中index位置之后的所有元素向前移一位int numMoved = size - index - 1;if (numMoved > 0)System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,numMoved);elementData[--size] = null; //將原數組最后一個位置置為null，由GC清理return oldValue;}//移除ArrayList中首次出現的指定元素(如果存在)，ArrayList中允許存放重復的元素public boolean remove(Object o) {// 由于ArrayList中允許存放null，因此下面通過兩種情況來分別處理。if (o == null) {for (int index = 0; index < size; index++)if (elementData[index] == null) {fastRemove(index); //私有的移除方法，跳過index參數的邊界檢查以及不返回任何值return true;}} else {for (int index = 0; index < size; index++)if (o.equals(elementData[index])) {fastRemove(index);return true;}}return false;}//私有的刪除指定位置元素的方法，跳過index參數的邊界檢查以及不返回任何值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}//清空ArrayList，將全部的元素設為nullpublic void clear() {modCount++;// clear to let GC do its workfor (int i = 0; i < size; i++)elementData[i] = null;size = 0;}//刪除ArrayList中從fromIndex（包含）到toIndex（不包含）之間所有的元素，共移除了toIndex-fromIndex個元素protected void removeRange(int fromIndex, int toIndex) {modCount++;int numMoved = size - toIndex; //需向前移動的元素的個數System.arraycopy(elementData, toIndex, elementData, fromIndex,numMoved);// clear to let GC do its workint newSize = size - (toIndex-fromIndex);for (int i = newSize; i < size; i++) {elementData[i] = null;}size = newSize;}//刪除ArrayList中包含在指定容器c中的所有元素public boolean removeAll(Collection<?> c) {Objects.requireNonNull(c); //檢查指定的對象c是否為空return batchRemove(c, false);}//移除ArrayList中不包含在指定容器c中的所有元素，與removeAll(Collection<?> c)正好相反public boolean retainAll(Collection<?> c) {Objects.requireNonNull(c); return batchRemove(c, true);}private boolean batchRemove(Collection<?> c, boolean complement) {final Object[] elementData = this.elementData;int r = 0, w = 0; //讀寫雙指針boolean modified = false;try {for (; r < size; r++)if (c.contains(elementData[r]) == complement) //判斷指定容器c中是否含有elementData[r]元素elementData[w++] = elementData[r];} finally {// Preserve behavioral compatibility with AbstractCollection,// even if c.contains() throws.if (r != size) {System.arraycopy(elementData, r,elementData, w,size - r);w += size - r;}if (w != size) {// clear to let GC do its workfor (int i = w; i < size; i++)elementData[i] = null;modCount += size - w;size = w;modified = true;}}return modified;}

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6.修改元素

ArrayList提供了set(int index, E element)方法來修改指定索引上的值。

//將指定索引上的值替換為新值，并返回舊值public E set(int index, E element) {rangeCheck(index);E oldValue = elementData(index);elementData[index] = element;return oldValue;}

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7.查找元素

ArrayList提供了get(int index)、contains(Object o)、indexOf(Object o)、lastIndexOf(Object o)、get(int index)這些查找元素的方法。

//判斷ArrayList中是否包含Object(o)public boolean contains(Object o) {return indexOf(o) >= 0;}//正向查找，返回ArrayList中元素Object o第一次出現的位置，如果元素不存在，則返回-1public int indexOf(Object o) {if (o == null) {for (int i = 0; i < size; i++) if (elementData[i]==null)return i;} else {for (int i = 0; i < size; i++)if (o.equals(elementData[i]))return i;}return -1;}//逆向查找，返回ArrayList中元素Object o最后一次出現的位置，如果元素不存在，則返回-1public int lastIndexOf(Object o) {if (o == null) {for (int i = size-1; i >= 0; i--)if (elementData[i]==null)return i;} else {for (int i = size-1; i >= 0; i--)if (o.equals(elementData[i]))return i;}return -1;}@SuppressWarnings("unchecked")E elementData(int index) {return (E) elementData[index];}//返回指定索引處的值public E get(int index) {rangeCheck(index);return elementData(index); //實質上return (E) elementData[index]}

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8.其他public方法

trimToSize()、size()、isEmpty()、clone()、toArray()、toArray(T[] a)

//將底層數組的容量調整為當前列表保存的實際元素的大小的功能public void trimToSize() {modCount++;if (size < elementData.length) {elementData = (size == 0)? EMPTY_ELEMENTDATA: Arrays.copyOf(elementData, size);}}//返回ArrayList的大小（元素個數）public int size() {return size;}//判斷ArrayList是否為空public boolean isEmpty() {return size == 0;}//返回此 ArrayList實例的淺拷貝public Object clone() {try {ArrayList<?> v = (ArrayList<?>) super.clone();v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);v.modCount = 0;return v;} catch (CloneNotSupportedException e) {// this shouldn't happen, since we are Cloneablethrow new InternalError(e);}}//返回一個包含ArrayList中所有元素的數組public Object[] toArray() {return Arrays.copyOf(elementData, size);}//如果給定的參數數組長度足夠，則將ArrayList中所有元素按序存放于參數數組中，并返回//如果給定的參數數組長度小于ArrayList的長度，則返回一個新分配的、長度等于ArrayList長度的、包含ArrayList中所有元素的新數組@SuppressWarnings("unchecked")public <T> T[] toArray(T[] a) {if (a.length < size)// Make a new array of a's runtime type, but my contents:return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass());System.arraycopy(elementData, 0, a, 0, size);if (a.length > size)a[size] = null;return a;}

支持序列化的寫入函數writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)和讀取函數readObject(java.io.ObjectInputStream s)

//序列化：將ArrayList的“大小，所有的元素值”都寫入到輸出流中private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)throws java.io.IOException{// Write out element count, and any hidden stuffint expectedModCount = modCount;s.defaultWriteObject();// Write out size as capacity for behavioural compatibility with clone()s.writeInt(size);// Write out all elements in the proper order.for (int i=0; i<size; i++) {s.writeObject(elementData[i]);}if (modCount != expectedModCount) {throw new ConcurrentModificationException();}}//反序列化：先將ArrayList的“大小”讀出，然后將“所有的元素值”讀出private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;// Read in size, and any hidden stuffs.defaultReadObject();// Read in capacitys.readInt(); // ignoredif (size > 0) {// be like clone(), allocate array based upon size not capacityensureCapacityInternal(size);Object[] a = elementData;// Read in all elements in the proper order.for (int i=0; i<size; i++) {a[i] = s.readObject();}}}

關于java的序列化與反序列化可以參考：Java對象的序列化和反序列化

9.ArrayList的四種遍歷方式

1）通過迭代器Iterator遍歷：

Iterator iter = list.iterator();while (iter.hasNext()){System.out.println(iter.next());}

2）通過迭代器ListIterator遍歷：

　　ListIterator<String> lIter = list.listIterator();//順向遍歷while(lIter.hasNext()){System.out.println(lIter.next());}//逆向遍歷while(lIter.hasPrevious()){System.out.println(lIter.previous());}

Iterator與ListIterator主要的區別：

①Iterator可以應用于所有的集合，Set、List和Map和這些集合的子類型。而ListIterator只能用于List及其子類型；

②Iterator只能實現順序向后遍歷，ListIterator可實現順序向后遍歷和逆向（順序向前）遍歷；

③Iterator只能實現remove操作，ListIterator可以實現remove操作，add操作，set操作。

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3）隨機訪問，通過索引值去遍歷，由于ArrayList實現了RandomAccess接口

int size = list.size();for (int i=0; i<size; i++) {System.out.println(list.get(i)); }

4）foreach循環遍歷

for(String str:list){System.out.println(str);}

foreach與迭代器：在Java SE5引入了新的被稱為Iterable接口，該接口包含一個能夠產生Iterator的Iterator()方法，并且Iterable接口被foreach用來在序列中移動。因此如果你創建了任何實現Iterable的類，都可以將它用于foreach語句中。

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10. Fail-Fast機制

ArrayList也采用了快速失敗的機制，通過記錄modCount參數來實現。在面對并發的修改時，迭代器很快就會完全失敗，而不是冒著在將來某個不確定時間發生任意不確定行為的風險。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的jdk1.8.0_45源码解读——ArrayList的实现的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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