Java - ArrayList 源码分析 - 《读钓的YY》

目录：
一、ArrayList类结构层次图
二、属性
三、构造方法
四、核心方法
五、其他方法

本篇文章基于Java版本：1.8.0_91，代码中的注释不止是翻译，还带有一些自己的理解

一、ArrayList类结构层次图
二、属性
三、构造方法
- ArrayList(int initialCapacity)
- ArrayList()
- ArrayList(Collection<? extends E> c)
四、核心方法
- 4.1 get(int index)
  - 越界检查：
  - 返回索引为index的元素
- 4.2 add(E e)
  - 空间检查
  - 扩容
- 4.3 add(int index, E element)
  - 越界检查
  - 空间检查、扩容
  - 数组复制：arraycopy
- 4.4 remove(int index)
- 4.5 set(int index, E element)
五、其他方法
- 5.1 remove(Object o)
  - 快速删除指定索引的元素
- 5.2 clear()
- 5.3 addAll(Collection<? extends E> c)
- 5.4 addAll(int index, Collection<? extends E> c)
- 5.5 retainAll(Collection<?> c)
  - 批量移除或保存batchRemove()
- 5.6 removeAll(Collection<?> c)

一、ArrayList类结构层次图

ArrayList 源码分析 - 图1

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

ArrayList继承AbstractList和实现了RandomAccess。对于支持随机访问的数据存储，可以继承AbstractList，而RandomAccess是一个标记接口，表名实现这个接口的集合，是支持快速随机访问的，官方还说，实现该接口的集合，使用for循环的方式获取数据for (int i=0, n=list.size(); i < n; i++)会优于用迭代器获取数据for (Iterator i=list.iterator(); i.hasNext();)，该接口是Java集合框架的成员之一。

二、属性

/**
 * 初始化默认容量。
 * Default initial capacity.
 */
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
/**
 * 指定该ArrayList容量为0时，返回该空数组。
 * Shared empty array instance used for empty instances.
 */
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/**
 * 当调用无参构造方法，返回的是该数组。刚创建一个ArrayList 时，其内数据量为0。
 * 它与EMPTY_ELEMENTDATA的区别就是：该数组是默认返回的，而后者是在用户指定容量为0时返回。
 * 
 * Shared empty array instance used for default sized empty instances. We
 * distinguish this from EMPTY_ELEMENTDATA to know how much to inflate when
 * first element is added.
 */
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/**
 * 保存添加到ArrayList中的元素。
 * ArrayList的容量就是该数组的长度。
 * 该值为DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 时，当第一次添加元素进入ArrayList中时，数组将扩容值DEFAULT_CAPACITY。
 * 
 * The array buffer into which the elements of the ArrayList are stored.
 * The capacity of the ArrayList is the length of this array buffer. Any
 * empty ArrayList with elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
 * will be expanded to DEFAULT_CAPACITY when the first element is added.
 */
transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
/**
 * ArrayList的实际大小（数组包含的元素个数）。
 * The size of the ArrayList (the number of elements it contains).
 *
 * @serial
 */
private int size;

需要注意的是elementData的访问权限是transient，ArrayList自定义了它的序列化（writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)）和反序列化（readObject(java.io.ObjectOutputStream s)）方式。

三、构造方法

ArrayList(int initialCapacity)

/**
 * 根据指定的初始化容量构造一个空列表
 * Constructs an empty list with the specified initial capacity.
 *
 * @param  initialCapacity  the initial capacity of the list    ArrayList的指定初始化容量
 * @throws IllegalArgumentException if the specified initial capacity
 *         is negative  如果ArrayList的指定初始化容量为负。
 */
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);
    }
}

ArrayList()

/**
 * 构造一个初始容量为 10 的空列表。
 * Constructs an empty list with an initial capacity of ten.
 */
public ArrayList() {
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

ArrayList(Collection<? extends E> c)

/**
 * 构造一个包含指定 collection 的元素的列表，
 * 这些元素是按照该 collection 的迭代器返回它们的顺序排列的。
 * 
 * Constructs a list containing the elements of the specified
 * collection, in the order they are returned by the collection's
 * iterator.
 *
 * @param c the collection whose elements are to be placed into this list
 *          其元素将放置在此列表中的 collection
 * @throws NullPointerException if the specified collection is null
 *          如果指定的 collection 为空
 */
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
    elementData = c.toArray();
    if ((size = elementData.length) != 0) {
        // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
        // c.toArray 返回类型不一定是Object[]
        if (elementData.getClass() != Object[].class)
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
    } else {
        // replace with empty array.
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
}

使用Collection.toArray()方法，返回类型不一定是Object[]，所以多加了一个判断，使用Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class)进行了转换。

四、核心方法

方法名	时间复杂度
get(int index)	O(1)
add(E e)	O(1)
add(int index, E element)	O(n)
remove(int index)	O(n)
set(int index, E element)	O(1)

时间复杂度：O(1) 操作的数量为常数，与输入的数据的规模(n)无关。 O(n) 输入数据的规模(n)与操作的数量成正比。

4.1 get(int index)

/**
 * 返回list中索引为index的元素
 * Returns the element at the specified position in this list.
 *
 * @param  index index of the element to return
 *          需要返回的元素的索引
 * @return the element at the specified position in this list
 *          list中索引为index的元素
 * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
 */
public E get(int index) {
    //越界检查
    rangeCheck(index);
    //返回索引为index的元素
    return elementData(index);
}

越界检查：

/**
 * 检查给出的索引index是否越界。
 * 如果越界，抛出运行时异常。
 * 这个方法并不检查index是否为负数：
 * 如果下标为负数，它总是在访问数组之后立刻抛出 ArrayIndexOutOfBoundsException
 * 
 * Checks if the given index is in range.  If not, throws an appropriate
 * runtime exception.  This method does *not* check if the index is
 * negative: It is always used immediately prior to an array access,
 * which throws an ArrayIndexOutOfBoundsException if index is negative.
 */
private void rangeCheck(int index) {
    if (index >= size)
        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
/**
 * 构造下标越界异常的详细信息。
 * Constructs an IndexOutOfBoundsException detail message.
 * Of the many possible refactorings of the error handling code,
 * this "outlining" performs best with both server and client VMs.
 */
private String outOfBoundsMsg(int index) {
    return "Index: "+index+", Size: "+size;
}

返回索引为index的元素

E elementData(int index) {
    return (E) elementData[index];
}

4.2 add(E e)

/**
 * 添加元素到list末尾。
 * Appends the specified element to the end of this list.
 *
 * @param e element to be appended to this list
 *                  被添加的元素
 * @return <tt>true</tt> (as specified by {@link Collection#add})
 */
public boolean add(E e) {
    //空间检查、扩容
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    //插入元素
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

空间检查

//minCapacity   想要的最小容量
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    //当数组列表为空时
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        //这里之所以用Math.max()，考虑到兼容addAll()方法
        minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }

    ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    // 更改次数+1
    modCount++;

    // overflow-conscious code
    // 这个判断是多余的,因为入参minCapacity总是大于elementData.length（见下图）
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        //扩容
        grow(minCapacity);
}

ArrayList 源码分析 - 图2

扩容

/**
 * 分派给arrays的最大容量
 * 某些VM会在数组中保留一些头字。
 * 尝试分配这个最大存储容量，可能会导致array容量大于VM的limit，最终导致OutOfMemoryError。
 * 
 * The maximum size of array to allocate.
 * Some VMs reserve some header words in an array.
 * Attempts to allocate larger arrays may result in
 * OutOfMemoryError: Requested array size exceeds VM limit
 */
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

/**
 * 扩容，保证ArrayList至少能存储minCapacity个元素。
 * 
 * Increases the capacity to ensure that it can hold at least the
 * number of elements specified by the minimum capacity argument.
 *
 * @param minCapacity the desired minimum capacity
 *                      想要的最小容量
 */
private void grow(int minCapacity) {
    // overflow-conscious code
    int oldCapacity = elementData.length;
    /**
     * 扩容。第一次扩容为：在原有的容量基础上增加一半。
     * 第一次扩容后，如果容量还是小于minCapacity，就将容量扩充为minCapacity。
     * 如果扩容后的容量大于临界值，则进行大容量分配。
     */
    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:
    // 想要的最小容量(minCapacity)通常接近于数组列表的长度(见上图)，所以下边的方式比较好
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

/**
 * 进行大容量分配：将容量扩大为Integer.MAX_VALUE
 */
private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
    if (minCapacity < 0) // overflow
        throw new OutOfMemoryError();
    return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
        Integer.MAX_VALUE :
        MAX_ARRAY_SIZE;
}

可以看出ArrayList的最大元素个数为Integer.MAX_VALUE（2-1=2147483647）；每次扩容时，使用Arrays.copyOf()方法，把旧数组copy到新数组里，所以使用ArrayList时，尽量避免数据的扩容。

4.3 add(int index, E element)

/**
 * 在列表中的指定位置插入元素。
 * 当前位置的元素和index之后的元素向后移一位（下标加1）。
 * 
 * Inserts the specified element at the specified position in this
 * list. Shifts the element currently at that position (if any) and
 * any subsequent elements to the right (adds one to their indices).
 *
 * @param index index at which the specified element is to be inserted
 *              插入元素的位置
 * @param element element to be inserted
 *              要插入的元素
 * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
 */
public void add(int index, E element) {
    //越界检查
    rangeCheckForAdd(index);

    //空间检查、扩容
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    //对数组进行复制处理，目的就是空出index的位置插入element，并将index后的元素位移一个位置
    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                     size - index);
    //将元素插入到index位置，并把实际容量+1
    elementData[index] = element;
    size++;
}

越界检查

/**
 * 越界检查的另一个版本，用在add()和addAll()方法
 * A version of rangeCheck used by add and addAll.
 */
private void rangeCheckForAdd(int index) {
    if (index > size || index < 0)
        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}

空间检查、扩容

和4.2 add(E e) 中的空间检查、扩容方法一样。

数组复制：arraycopy

System.arraycopy(Object src, int srcPos, Object dest, int destPos, int length)

/**
 * 该方法用于从指定源数组中进行拷贝操作，可以指定开始位置，拷贝指定长度的元素到指定目标数组中
 * 
 * @param   src      the source array.  源数组（要复制到目标数组中）
 * @param   srcPos   starting position in the source array. 源数组中的起始位置
 * @param   dest     the destination array. 目标数组
 * @param   destPos  starting position in the destination data. 目标数组中的起始位置
 * @param   length   the number of array elements to be copied. 源数组中要复制的长度
 */
public static native void arraycopy(Object src,  int  srcPos,
                                    Object dest, int destPos,
                                    int length);

使用native关键词修饰的方法，称为Java Native Interface（Java本地接口）。

4.4 remove(int index)

/**
 * 删除list中位置为指定索引index的元素。
 * 索引之后的元素向左移一位
 * 
 * Removes the element at the specified position in this list.
 * Shifts any subsequent elements to the left (subtracts one from their
 * indices).
 *
 * @param index the index of the element to be removed
 * @return the element that was removed from the list
 *          被删除的元素
 * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
 */
public E remove(int index) {
    //检查索引是否越界
    rangeCheck(index);

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

    //删除指定元素后，需要左移的元素个数
    int numMoved = size - index - 1;
    //2 如果有需要左移的元素，就移动（移动后，该删除的元素就已经被覆盖了）
    if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                         numMoved);
    //3 为了让GC起作用，必须显式的为最后一个位置赋null值
    elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work

    return oldValue;
}

remove(int index)方法中，如果删除的元素不是最后一个元素，则进行copy，如下图：

4.5 set(int index, E element)

/**
 * 替换指定索引的元素
 * Replaces the element at the specified position in this list with
 * the specified element.
 *
 * @param index index of the element to replace
 * @param element element to be stored at the specified position
 * @return the element previously at the specified position
 * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
 */
public E set(int index, E element) {
    //检查索引是否越界
    rangeCheck(index);

    //记录被替换的元素
    E oldValue = elementData(index);
    //替换元素
    elementData[index] = element;
    //返回被替换的元素
    return oldValue;
}

五、其他方法

5.1 remove(Object o)

/**
 * 删除list中第一次出现的指定元素（如果存在）。
 * 如果不存在，则不改变该集合。
 * 更正式的说，是移除索引最小的指定元素（如果存在）。
 * 返回true：如果集合包含被移除的元素（或者相当于，集合被改变了）
 *
 * @param o 被移除的元素
 * @return <tt>true</tt> 如果集合包含被移除的元素
 */
public boolean remove(Object o) {
    if (o == null) {
        for (int index = 0; index < size; index++)
            if (elementData[index] == null) {
                //快速删除指定索引的元素
                fastRemove(index);
                return true;
            }
    } else {
        for (int index = 0; index < size; index++)
            if (o.equals(elementData[index])) {
                //快速删除指定索引的元素
                fastRemove(index);
                return true;
            }
    }
    return false;
}

快速删除指定索引的元素

/*
 * 忽略越界检查并且不返回被删除元素的私有方法。
 */
private void fastRemove(int index) {
    modCount++;
    int numMoved = size - index - 1;
    if (numMoved > 0)
        //数组复制
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                         numMoved);
    //为了让GC起作用，必须显式的为最后一个位置赋null值
    elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
}

删除的原理见上图

5.2 clear()

/**
 * 移除集合中所有的元素，调用此方法后集合会被置空。
 */
public void clear() {
    modCount++;

    // clear to let GC do its work 为了让GC起作用
    for (int i = 0; i < size; i++)
        elementData[i] = null;

    size = 0;
}

使用for循环置空集合中的每个元素

5.3 addAll(Collection<? extends E> c)

/**
 * 按照指定集合的迭代器返回元素的顺序，将指定集合中的所有元素追加到列表的末尾。
 *
 * @param c 被添加到列表中的集合
 * @return <tt>true</tt> if this list changed as a result of the call
 * @throws NullPointerException if the specified collection is null
 */
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
    //返回包含此集合中所有元素的数组
    Object[] a = c.toArray();
    int numNew = a.length;
    //空间检查、扩容
    ensureCapacityInternal(size + numNew);  // Increments modCount
    //把指定集合转化后的数组复制到elementData中（追加到末尾）
    System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
    size += numNew;
    return numNew != 0;
}

addAll()会把指定集合中的所有元素追加到列表的末尾。

5.4 addAll(int index, Collection<? extends E> c)

/**
 * 从指定位置，按照指定集合的迭代器返回元素的顺序，
 * 将指定集合中的所有元素追加到列表的末尾。
 * @param index 集合中第一个元素 将插入到列表中的索引为index的位置
 * @param c 被添加到列表中的集合
 */
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
    //越界检查 size - index >= 0
    rangeCheckForAdd(index);

    //返回包含此集合中所有元素的数组
    Object[] a = c.toArray();
    int numNew = a.length;
    //空间检查、扩容
    ensureCapacityInternal(size + numNew);  // Increments modCount

    int numMoved = size - index;
    //如果不是插入到末尾
    if (numMoved > 0)
        //把index到末尾的元素复制到index + numNew后
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew,
                         numMoved);

    System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);
    size += numNew;
    return numNew != 0;
}

5.5 retainAll(Collection<?> c)

/**
 * 仅保留该列表中包含在指定集合中的元素。
 * 换句话说，从这个列表中删除指定集合中不包含的所有元素。
 * >>保留两个集合中的交集
 *
 * @param c 包含要保留在此列表中的元素的集合
 * @return {@code true} 如果列表因调用此方法而改变，则返回true
 */
public boolean retainAll(Collection<?> c) {
    //判断不为空
    Objects.requireNonNull(c);
    //批量移除
    return batchRemove(c, true);
}

批量移除或保存batchRemove()

/**
 * 私有方法。用来批量移除或保存
 * @return 如果列表因调用此方法而改变，则返回true
 */
private boolean batchRemove(Collection<?> c, boolean complement) {
    final Object[] elementData = this.elementData;
    int r = 0, w = 0;
    boolean modified = false;
    try {
        for (; r < size; r++)
            if (c.contains(elementData[r]) == complement)
                elementData[w++] = elementData[r];
    } finally {
        // 即使c.contains()异常时，也能保持与AbstractCollection行为的兼容。
        if (r != size) {
            System.arraycopy(elementData, r,
                             elementData, w,
                             size - r);
            w += size - r;
        }
        if (w != size) {
            // 为了让GC起作用，手动置空
            for (int i = w; i < size; i++)
                elementData[i] = null;
            modCount += size - w;
            size = w;
            modified = true;
        }
    }
    return modified;
}

当c.contains()异常时，finally中把没来得及用contains比较的元素，与比较后elementData[w]的元素放一起，把剩余的空位置置空，让GC回收。

5.6 removeAll(Collection<?> c)

/**
 * 从这个列表中删除指定集合中包含的所有元素。
 *
 * @param c 包含要从列表中删除的元素的集合
 * @return {@code true} 如果列表因调用此方法而改变，则返回true
 */
public boolean removeAll(Collection<?> c) {
    //判断不为空
    Objects.requireNonNull(c);
    //批量删除
    return batchRemove(c, false);
}

batchRemove(c, false)见5.5 批量移除或保存batchRemove()，通过控制布尔值complement达到了删除或保存的功能，方法抽象的套路只能学习。

重温ArrayList源码，发现了之前没注意到的点。编程就像写文章一样，首先需要多读别人怎么写代码，然后思考消化，变成自己的。
站在巨人的肩膀上，走的更远，共勉！

可以留言说下你阅读源码的感受，你的评论、在看、转发，都能让我高兴好久。

ArrayList 源码分析

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