Java之ArrayList源码解读

ArrayList源码解读

ArrayList

ArrayList 的底层是数组队列，相当于动态数组。与 Java 中的数组相比，它的容量能动态增长。在添加大量元素前，应用程序可以使用ensureCapacity操作来增加 ArrayList 实例的容量。这可以减少递增式再分配的数量。

ArrayList 继承于 AbstractList ，实现了 List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable 这些接口。

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

List : 表明它是一个列表，支持添加、删除、查找等操作，并且可以通过下标进行访问。

RandomAccess ：这是一个标志接口，表明实现这个接口的 List 集合是支持 快速随机访问 的。在 ArrayList 中，我们即可以通过元素的序号快速获取元素对象，这就是快速随机访问。

Cloneable ：表明它具有拷贝能力，可以进行深拷贝或浅拷贝操作。

Serializable : 表明它可以进行序列化操作，也就是可以将对象转换为字节流进行持久化存储或网络传输，非常方便

ArrayList 类图

ArrayList 可以添加 null 值吗？

ArrayList 中可以存储任何类型的对象，包括 null 值。不过，不建议向ArrayList 中添加 null 值， null 值无意义，会让代码难以维护比如忘记做判空处理就会导致空指针异常。

ArrayList<String> listOfStrings = new ArrayList<>();
listOfStrings.add(null);
listOfStrings.add("java");
System.out.println(listOfStrings);[null, java]
ArrayList 核心源码解读
先从 ArrayList 的构造函数说起

ArrayList 有三种方式来初始化，构造方法源码如下（JDK8）：

/*** 默认初始容量大小*/
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};/*** 默认构造函数，使用初始容量10构造一个空列表(无参数构造)*/
public ArrayList() {this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}/*** 带初始容量参数的构造函数。（用户自己指定容量）*/
public ArrayList(int initialCapacity) {if (initialCapacity > 0) {//初始容量大于0//创建initialCapacity大小的数组this.elementData = new Object[initialCapacity];} else if (initialCapacity == 0) {//初始容量等于0//创建空数组this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;} else {//初始容量小于0，抛出异常throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: " + initialCapacity);}
}/***构造包含指定collection元素的列表，这些元素利用该集合的迭代器按顺序返回*如果指定的集合为null，throws NullPointerException。*/
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;}
}

细心的同学一定会发现：以无参数构造方法创建 ArrayList 时，实际上初始化赋值的是一个空数组。当真正对数组进行添加元素操作时，才真正分配容量。即向数组中添加第一个元素时，数组容量扩为 10。 下面在我们分析 ArrayList 扩容时会讲到这一点内容！

补充：JDK6 new 无参构造的 ArrayList 对象时，直接创建了长度是 10 的 Object[] 数组 elementData

一步一步分析 ArrayList 扩容机制

这里以无参构造函数创建的 ArrayList 为例分析。

add 方法

/**
* 将指定的元素追加到此列表的末尾。
*/
public boolean add(E e) {// 加元素之前，先调用ensureCapacityInternal方法ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!// 这里看到ArrayList添加元素的实质就相当于为数组赋值elementData[size++] = e;return true;
}

ensureCapacityInternal 方法的源码如下：

// 根据给定的最小容量和当前数组元素来计算所需容量。
private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {// 如果当前数组元素为空数组（初始情况），返回默认容量和最小容量中的较大值作为所需容量if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);}// 否则直接返回最小容量return minCapacity;
}// 确保内部容量达到指定的最小容量。
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}

ensureCapacityInternal 方法非常简单，内部直接调用了 ensureExplicitCapacity 方法：

//判断是否需要扩容
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {modCount++;//判断当前数组容量是否足以存储minCapacity个元素if (minCapacity - elementData.length > 0)//调用grow方法进行扩容grow(minCapacity);
}
  • 当我们要 add 进第 1 个元素到 ArrayList 时，elementData.length 为 0 （因为还是一个空的 list），因为执行了 ensureCapacityInternal() 方法 ，所以 minCapacity 此时为 10。此时，minCapacity - elementData.length > 0成立，所以会进入 grow(minCapacity) 方法。
  • 当 add 第 2 个元素时，minCapacity 为 2，此时 elementData.length(容量)在添加第一个元素后扩容成 10 了。此时，minCapacity - elementData.length > 0 不成立，所以不会进入 （执行）grow(minCapacity) 方法。
  • 添加第 3、4···到第 10 个元素时，依然不会执行 grow 方法，数组容量都为 10。

直到添加第 11 个元素，minCapacity(为 11)比 elementData.length（为 10）要大。进入 grow 方法进行扩容

grow 方法
/*** 要分配的最大数组大小*/
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;/*** ArrayList扩容的核心方法。*/
private void grow(int minCapacity) {// oldCapacity为旧容量，newCapacity为新容量int oldCapacity = elementData.length;// 将oldCapacity 右移一位，其效果相当于oldCapacity /2，// 我们知道位运算的速度远远快于整除运算，整句运算式的结果就是将新容量更新为旧容量的1.5倍，int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);// 然后检查新容量是否大于最小需要容量，若还是小于最小需要容量，那么就把最小需要容量当作数组的新容量，if (newCapacity - minCapacity < 0)newCapacity = minCapacity;// 如果新容量大于 MAX_ARRAY_SIZE,进入(执行) `hugeCapacity()` 方法来比较 minCapacity 和 MAX_ARRAY_SIZE，// 如果minCapacity大于最大容量，则新容量则为`Integer.MAX_VALUE`，否则，新容量大小则为 MAX_ARRAY_SIZE 即为 `Integer.MAX_VALUE - 8`。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);
}

int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1),所以 ArrayList 每次扩容之后容量都会变为原来的 1.5 倍左右（oldCapacity 为偶数就是 1.5 倍，否则是 1.5 倍左右）！ 奇偶不同，比如：10+10/2 = 15, 33+33/2=49。如果是奇数的话会丢掉小数.

“>>”（移位运算符）：>>1 右移一位相当于除 2，右移 n 位相当于除以 2 的 n 次方。这里 oldCapacity 明显右移了 1 位所以相当于 oldCapacity /2。对于大数据的 2 进制运算,位移运算符比那些普通运算符的运算要快很多,因为程序仅仅移动一下而已,不去计算,这样提高了效率,节省了资源

我们再来通过例子探究一下grow() 方法：

  • 当 add 第 1 个元素时，oldCapacity 为 0，经比较后第一个 if 判断成立，newCapacity = minCapacity(为 10)。但是第二个 if 判断不会成立，即 newCapacity 不比 MAX_ARRAY_SIZE 大，则不会进入 hugeCapacity 方法。数组容量为 10，add 方法中 return true,size 增为 1。
  • 当 add 第 11 个元素进入 grow 方法时，newCapacity 为 15，比 minCapacity（为 11）大，第一个 if 判断不成立。新容量没有大于数组最大 size，不会进入 hugeCapacity 方法。数组容量扩为 15，add 方法中 return true,size 增为 11。
  • 以此类推······

这里补充一点比较重要，但是容易被忽视掉的知识点：

  • Java 中的 length属性是针对数组说的,比如说你声明了一个数组,想知道这个数组的长度则用到了 length 这个属性.
  • Java 中的 length() 方法是针对字符串说的,如果想看这个字符串的长度则用到 length() 这个方法.
  • Java 中的 size() 方法是针对泛型集合说的,如果想看这个泛型有多少个元素,就调用此方法来查看
hugeCapacity() 方法

从上面 grow() 方法源码我们知道：如果新容量大于 MAX_ARRAY_SIZE,进入(执行) hugeCapacity() 方法来比较 minCapacity 和 MAX_ARRAY_SIZE，如果 minCapacity 大于最大容量，则新容量则为Integer.MAX_VALUE，否则，新容量大小则为 MAX_ARRAY_SIZE 即为 Integer.MAX_VALUE - 8

private static int hugeCapacity(int minCapacity) {if (minCapacity < 0) // overflowthrow new OutOfMemoryError();// 对minCapacity和MAX_ARRAY_SIZE进行比较// 若minCapacity大，将Integer.MAX_VALUE作为新数组的大小// 若MAX_ARRAY_SIZE大，将MAX_ARRAY_SIZE作为新数组的大小// MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?Integer.MAX_VALUE :MAX_ARRAY_SIZE;
}
System.arraycopy() 和 Arrays.copyOf()方法

阅读源码的话，我们就会发现 ArrayList 中大量调用了这两个方法。比如：我们上面讲的扩容操作以及add(int index, E element)、toArray() 等方法中都用到了该方法！

System.arraycopy() 方法

    // 我们发现 arraycopy 是一个 native 方法,接下来我们解释一下各个参数的具体意义/***   复制数组* @param src 源数组* @param srcPos 源数组中的起始位置* @param dest 目标数组* @param destPos 目标数组中的起始位置* @param length 要复制的数组元素的数量*/public static native void arraycopy(Object src,  int  srcPos,Object dest, int destPos,int length);

Arrays.copyOf()方法

    public static int[] copyOf(int[] original, int newLength) {// 申请一个新的数组int[] copy = new int[newLength];// 调用System.arraycopy,将源数组中的数据进行拷贝,并返回新的数组System.arraycopy(original, 0, copy, 0,Math.min(original.length, newLength));return copy;}

两者联系和区别

联系：

看两者源代码可以发现 copyOf()内部实际调用了 System.arraycopy() 方法

区别：

arraycopy() 需要目标数组，将原数组拷贝到你自己定义的数组里或者原数组，而且可以选择拷贝的起点和长度以及放入新数组中的位置 copyOf() 是系统自动在内部新建一个数组，并返回该数组

ensureCapacity方法

ArrayList 源码中有一个 ensureCapacity 方法不知道大家注意到没有，这个方法 ArrayList 内部没有被调用过，所以很显然是提供给用户调用的，那么这个方法有什么作用呢？

    /**如有必要，增加此 ArrayList 实例的容量，以确保它至少可以容纳由minimum capacity参数指定的元素数。** @param   minCapacity   所需的最小容量*/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);}}

理论上来说，最好在向 ArrayList 添加大量元素之前用 ensureCapacity 方法，以减少增量重新分配的次数

Vector

源码分析

  protected Object[] elementData;protected int elementCount;//构造器public Vector() {this(10); //指定初始容量 initialCapacity 为 10}public Vector(int initialCapacity) {this(initialCapacity, 0); //指定 capacityIncrement 增量为 0}public Vector(int initialCapacity, int capacityIncrement) {super();//判断了形参初始容量 initialCapacity 的合法性if (initialCapacity < 0)throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: " + initialCapacity);//创建了一个 Object[]类型的数组this.elementData = new Object[initialCapacity];//增量，默认是 0，如果是 0，后面就按照 2 倍增加，如果不是 0，后面就按照你指定的增量进行增量this.capacityIncrement = capacityIncrement;}//方法：add()相关方法
//synchronized 意味着线程安全的 public synchronized boolean add(E e) {modCount++;//看是否需要扩容ensureCapacityHelper(elementCount + 1);//把新的元素存入[elementCount]，存入后，elementCount 元素的个数增 1elementData[elementCount++] = e;return true;}private void ensureCapacityHelper(int minCapacity) {//看是否超过了当前数组的容量if (minCapacity - elementData.length > 0)grow(minCapacity); //扩容}private void grow(int minCapacity) {// overflow-conscious codeint oldCapacity = elementData.length; //获取目前数组的长度//如果 capacityIncrement 增量是 0，新容量 = oldCapacity 的 2 倍//如果 capacityIncrement 增量是不是 0，新容量 = oldCapacity + capacityIncrement 增量;int newCapacity = oldCapacity + ((capacityIncrement > 0) ? capacityIncrement : oldCapacity);//如果按照上面计算的新容量还不够，就按照你指定的需要的最小容量来扩容 minCapacityif (newCapacity - minCapacity < 0)newCapacity = minCapacity;//如果新容量超过了最大数组限制，那么单独处理if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);//把旧数组中的数据复制到新数组中，新数组的长度为 newCapacityelementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);}//方法：remove()相关方法public boolean remove(Object o) {return removeElement(o);}public synchronized boolean removeElement(Object obj) {modCount++;//查找 obj 在当前 Vector 中的下标int i = indexOf(obj);//如果 i>=0，说明存在，删除[i]位置的元素if (i >= 0) {removeElementAt(i);return true;}return false;}//方法：indexOf()public int indexOf(Object o) {return indexOf(o, 0);}public synchronized int indexOf(Object o, int index) {if (o == null) {//要查找的元素是 null 值for (int i = index; i < elementCount; i++)if (elementData[i] == null)//如果是 null 值，用==null 判断return i;} else {//要查找的元素是非 null 值for (int i = index; i < elementCount; i++)if (o.equals(elementData[i]))//如果是非 null 值，用 equals 判断return i;}return -1;}//方法：removeElementAt()public synchronized void removeElementAt(int index) {modCount++;//判断下标的合法性if (index >= elementCount) {throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index + " >= " +elementCount);} else if (index < 0) {throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);}//j 是要移动的元素的个数int j = elementCount - index - 1;//如果需要移动元素，就调用 System.arraycopy 进行移动if (j > 0) {//把 index+1 位置以及后面的元素往前移动//index+1 的位置的元素移动到 index 位置，依次类推//一共移动 j 个System.arraycopy(elementData, index + 1, elementData, index,j);}//元素的总个数减少elementCount--;//将 elementData[elementCount]这个位置置空，用来添加新元素，位置的元素等着被 GC 回收elementData[elementCount] = null; /* to let gc do its work */}

ArrayList 与 Vector 的区别

它们的底层物理结构都是数组，我们称为动态数组。

1）线程安全性不同，ArrayList 是新版的动态数组，线程不安全，效率高，Vector 是旧版的动态数组，线程

安全，效率低。

2）动态数组的扩容机制不同，ArrayList 默认扩容为原来的 1.5 倍，Vector 默认扩容增加

为原来的 2 倍。

3）数组的初始化容量，如果在构建 ArrayList 与 Vector 的集合对象时，没有显式指定初始化容量，那么 Vector 的内部数组的初始容量默认为 10，而 ArrayList 在 JDK 6.0 及之前的版本也是 10，JDK8.0 之后的版本 ArrayList 初始化为长度为 0 的空数组，之后 在添加第一个元素时，再创建长度为 10 的数组。原因：

用的时候，再创建数组，避免浪费。因为很多方法的返回值是 ArrayList 类型，需要返回一个 ArrayList 的对象，例如：后期从数据库查询对象的方 法，返回值很多就是 ArrayList。有可能你要查询的数据不存在，要么返回 null，要么返回一个没有元素的 ArrayList 对象。

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