ArrayList 源码分析

本文深入解析了ArrayList的数据存储方式及其实现原理,包括其动态数组的特性、线程安全性问题、容量调整机制以及迭代器的使用。通过源码分析,揭示了ArrayList在不同场景下的性能表现。

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首先看下ArrayList的关系图

ArrayList 继承自AbstractList,实现了List 、RandomAccess、Cloneable、Serializable接口
点开List接口,你会发现我们常用的方法基本上都在这里,当然,实现都是在ArrayList当中。

再回到ArrayList的源码,我们会发现ArrayList的几大特点:

  • ArrayList维护了一个动态的数组,可以增加或缩减其长度。
  • ArrayList 是线性不安全的,在多线程中操作一个ArrayList需要手动保证数据的同步。
  • 每个ArrayList实例维护了一个capacity的属性,顾名思义,就是集合的容量,且其值会随着数据的变化增长或者衰减。

ArrayList的两大精华

  • 扩容
  • Iterator

首先看下这几个属性

/**
 * 默认的容器大小
 */
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

/**
 *一个空的数组
 */
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

/**
 在这里要清楚transient 的含义,被该属性修饰的变量不会被序列化
 */
transient Object[] elementData;

/**
 * 元素长度
 *
 */
private int size;

//这个属性来自AbstrctList  代表的含义是每当ArrayList的结构发生变化的时候 该变量+1;该属性同样使用了transient 修饰,因为没必要持久化。
protected transient int modCount = 0;

大精华之一:扩容:

最常见的add()方法

/**
 * Appends the specified element to the end of this list.
 *
 * @param e element to be appended to this list
 * @return <tt>true</tt> (as specified by {@link Collection#add})
 */
public boolean add(E e) {
    //扩容
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    //赋值
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

/**
 * Increases the capacity of this <tt>ArrayList</tt> instance, if
 * necessary, to ensure that it can hold at least the number of elements
 * specified by the minimum capacity argument.
 *
 * @param   minCapacity   the desired minimum capacity
 */
public void ensureCapacity(int minCapacity) {
    //最小长度 如果数组不为空 最小即为0 否则为默认的10
    int minExpand = (elementData != EMPTY_ELEMENTDATA)
        // any size if real element table
        ? 0
        // larger than default for empty table. It's already supposed to be
        // at default size.
        : DEFAULT_CAPACITY;
    //如果需要的长度  即目标长度大于最小长度 说明需要扩容
    if (minCapacity > minExpand) {
        ensureExplicitCapacity(minCapacity);
    }
}

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    //如果数组为空 最小容量取下面二者最大值
    if (elementData == EMPTY_ELEMENTDATA) {
        minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }

    ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {

    modCount++;

    // overflow-conscious code
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);
}

/**
 * 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
 */

//重点来了 此乃精华之一: 扩容
private void grow(int minCapacity) {
    // overflow-conscious code
    //旧集合的长度
    int oldCapacity = elementData.length;
    //新集合的长度 是旧集合长度的 大概1.5倍
    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);
}

//附带下copy方法  
public static <T> T[] copyOf(T[] original, int newLength) {
    return (T[]) copyOf(original, newLength, original.getClass());
}


public static <T,U> T[] copyOf(U[] original, int newLength, Class<? extends T[]> newType) {
    T[] copy = ((Object)newType == (Object)Object[].class)
        ? (T[]) new Object[newLength]
        : (T[]) Array.newInstance(newType.getComponentType(), newLength);
    System.arraycopy(original, 0, copy, 0, Math.min(original.length, newLength));
    return copy;
}


其实扩容也就在grow()方法中的几行代码 主要是对集合长度的控制。

大精华之二 Iterator:
最常见的listIterator()方法

 /**
 * Returns a list iterator over the elements in this list (in proper
 * sequence), starting at the specified position in the list.
 * The specified index indicates the first element that would be
 * returned by an initial call to {@link ListIterator#next next}.
 * An initial call to {@link ListIterator#previous previous} would
 * return the element with the specified index minus one.
 *
 * <p>The returned list iterator is <a href="#fail-fast"><i>fail-fast</i></a>.
 *
 * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
 */
public ListIterator<E> listIterator() {
    return listIterator(0);
}

public ListIterator<E> listIterator(final int index) {
    rangeCheckForAdd(index);

    return new ListItr(index);
}

ListItr是个什么鬼?原来是一个内部类,实现了ListIterator接口

private class ListItr extends Itr implements ListIterator<E> {
    //把坐标传递进来
    ListItr(int index) {
        cursor = index;
    }

    public boolean hasPrevious() {
        return cursor != 0;
    }

    public E previous() {
        checkForComodification();
        try {
            int i = cursor - 1;
            E previous = get(i);
            lastRet = cursor = i;
            return previous;
        } catch (IndexOutOfBoundsException e) {
            checkForComodification();
            throw new NoSuchElementException();
        }
    }

    public int nextIndex() {
        return cursor;
    }

    public int previousIndex() {
        return cursor-1;
    }

    public void set(E e) {
        if (lastRet < 0)
            throw new IllegalStateException();
        checkForComodification();

        try {
            AbstractList.this.set(lastRet, e);
            expectedModCount = modCount;
        } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
            throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }

    public void add(E e) {
        checkForComodification();

        try {
            int i = cursor;
            AbstractList.this.add(i, e);
            lastRet = -1;
            cursor = i + 1;
            expectedModCount = modCount;
        } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
            throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }
}

//看完之后你会发现确实没什么东西 但是Iterator这个东西在很多地方都有用到,这里就显现出来接口的强大之处。

总结

看完ArrayList的源码之后,对ArrayList数据存储有了更深的理解,然而它的性能如何呢,要知道扩容和写数据都是需要时间的,经过测试,ArrayList在遍历和普通插入(add(object))的性能上都优于LinkedList。但是LinkedList在首尾进行操作的性能上明显优于ArrayList.

1. 用户与身体信息管理模块 用户信息管理: 注册登录:支持手机号 / 邮箱注册,密码加密存储,提供第三方快捷登录(模拟) 个人资料:记录基本信息(姓名、年龄、性别、身高、体重、职业) 健康目标:用户设置目标(如 “减重 5kg”“增肌”“维持健康”)及期望周期 身体状态跟踪: 体重记录:定期录入体重数据,生成体重变化曲线(折线图) 身体指标:记录 BMI(自动计算)、体脂率(可选)、基础代谢率(根据身高体重估算) 健康状况:用户可填写特殊情况(如糖尿病、过敏食物、素食偏好),系统据此调整推荐 2. 膳食记录与食物数据库模块 食物数据库: 基础信息:包含常见食物(如米饭、鸡蛋、牛肉)的名称、类别(主食 / 肉类 / 蔬菜等)、每份重量 营养成分:记录每 100g 食物的热量(kcal)、蛋白质、脂肪、碳水化合物、维生素、矿物质含量 数据库维护:管理员可添加新食物、更新营养数据,支持按名称 / 类别检索 膳食记录功能: 快速记录:用户选择食物、输入食用量(克 / 份),系统自动计算摄入的营养成分 餐次分类:按早餐 / 午餐 / 晚餐 / 加餐分类记录,支持上传餐食照片(可选) 批量操作:提供常见套餐模板(如 “三明治 + 牛奶”),一键添加到记录 历史记录:按日期查看过往膳食记录,支持编辑 / 删除错误记录 3. 营养分析模块 每日营养摄入分析: 核心指标计算:统计当日摄入的总热量、蛋白质 / 脂肪 / 碳水化合物占比(按每日推荐量对比) 微量营养素分析:检查维生素(如维生素 C、钙、铁)的摄入是否达标 平衡评估:生成 “营养平衡度” 评分(0-100 分),指出摄入过剩或不足的营养素 趋势分析: 周 / 月营养趋势:用折线图展示近 7 天 / 30 天的热量、三大营养素摄入变化 对比分析:将实际摄入与推荐量对比(如 “蛋白质摄入仅达到推荐量的 70%”) 目标达成率:针对健
1. 用户管理模块 用户注册与认证: 注册:用户填写身份信息(姓名、身份证号、手机号)、设置登录密码(需符合复杂度要求),系统生成唯一客户号 登录:支持账号(客户号 / 手机号)+ 密码登录,提供验证码登录、忘记密码(通过手机验证码重置)功能 身份验证:注册后需完成实名认证(模拟上传身份证照片,系统标记认证状态) 个人信息管理: 基本信息:查看 / 修改联系地址、紧急联系人、邮箱等非核心信息(身份证号等关键信息不可修改) 安全设置:修改登录密码、设置交易密码(用于转账等敏感操作)、开启 / 关闭登录提醒 权限控制:普通用户仅能操作本人账户;管理员可管理用户信息、查看系统统计数据 2. 账户与资金管理模块 账户管理: 账户创建:用户可开通储蓄卡账户(默认 1 个主账户,支持最多 3 个子账户,如 “日常消费账户”“储蓄账户”) 账户查询:查看各账户余额、开户日期、状态(正常 / 冻结)、交易限额 账户操作:挂失 / 解挂账户、申请注销账户(需余额为 0) 资金操作: 转账汇款:支持同行转账(输入对方账户号 / 手机号),需验证交易密码,可添加常用收款人 存款 / 取款:模拟存款(输入金额增加余额)、取款(输入金额减少余额,需不超过可用余额) 交易记录:按时间、类型(转入 / 转出 / 存款 / 取款)查询明细,显示交易时间、金额、对方账户(脱敏显示)、交易状态 3. 账单与支付模块 账单管理: 月度账单:自动生成每月收支明细,统计总收入、总支出、余额变动 账单查询:按月份、交易类型筛选账单,支持导出为 Excel 格式 还款提醒:若有贷款(简化版可模拟),系统在还款日 3 天前发送提醒 快捷支付: 绑定支付方式:添加银行卡(系统内账户)作为支付渠道 模拟消费:支持输入商户名称和金额,完成支付(从账户余额扣减) 支付记录:保存所有消费记录,包含商户、时间、金额、支付状态 4.
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