Java集合List系列（一）：ArrayList源码解析（JDK1.8）

概述

ArrayList是基于数组实现的，并且支持 动态扩容的动态数组。相比于数组而言，因为其支持 自动扩容的特性，成为我们在开发中最常用的集合类之一。

本篇的讲解是基于 JDK1.8，话不多说， 就让我们翻开 ArrayList的源代码，遨游一番吧~

Let's GO !!!

类图

从类图中我们可以看出，ArrayList实现了4个接口和继承了1个抽象类；4个接口分别为：

• List接口，主要提供数组的添加、删除、修改、迭代遍历等操作。

• Cloneable接口，表示ArrayList支持克隆。

• RandomAccess接口，表示ArrayList支持 快速的随机访问。

• Serializable接口，表示ArrayList支持序列化的功能。

继承的抽象类为 AbstractList，主要提供的是 迭代遍历相关的操作；如果我们单纯看 List --> AbstractList --> ArrayList这一实现/继承关系来看的，是不是有一种 模板方法模式的感觉呢？ List接口定义了操作行为，AbstractList抽象类提供了可重用的 算法骨架；而最终的 ArrayList实现类根据自己的情况自定义实现接口。

注意：实际上 ArrayList大量重写了 AbstractList抽象类提供的方法实现；所以 AbstractList对 ArrayList来说意义不大，但不过 AbstractList的其他很多子类享受到了这个福利。

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

源码解析

在进行源码解析前，我们先全览一篇 ArrayList中的所有方法吧，并且挑选比较核心的方法进行讲解。

/****************** ArrayList中的构造函数 ***************/
// 默认构造函数
ArrayList()

// capacity是ArrayList的默认容量大小。当由于增加数据导致容量不足时，容量会添加上一次容量大小的一半。
ArrayList(int capacity)

// 创建一个包含collection的ArrayList
ArrayList(Collection<? extends E> collection)

/****************** ArrayList中的API ********************/
// Collection中定义的API
boolean             add(E object)
boolean             addAll(Collection<? extends E> collection)
void                clear()
boolean             contains(Object object)
boolean             containsAll(Collection<?> collection)
boolean             equals(Object object)
int                 hashCode()
boolean             isEmpty()
Iterator<E>         iterator()
boolean             remove(Object object)
boolean             removeAll(Collection<?> collection)
boolean             retainAll(Collection<?> collection)
int                 size()
<T> T[]             toArray(T[] array)
Object[]            toArray()

// AbstractCollection中定义的API
void                add(int location, E object)
boolean             addAll(int location, Collection<? extends E> collection)
E                   get(int location)
int                 indexOf(Object object)
int                 lastIndexOf(Object object)
ListIterator<E>     listIterator(int location)
ListIterator<E>     listIterator()
E                   remove(int location)
E                   set(int location, E object)
List<E>             subList(int start, int end)

// ArrayList新增的API
Object               clone()
void                 ensureCapacity(int minimumCapacity)
void                 trimToSize()
void                 removeRange(int fromIndex, int toIndex)

属性

ArrayList的属性很少，只有2个属性： elementData和 size；其中 elementData代表的是存放元素的数组；而 size代表的是 elementData数组中元素的数量。比如下图所示： elementData数组的长度是8，但是只存放了4个元素，这时候 size属性就是4。

我们在使用 ArrayList的时候会经常调用其 size()方法，返回的就是 elementData数组中 已使用 的元素的数量，也即是当前的 4；并且当我们新添加元素的时候，size所指代的也恰巧是新元素的下标(数组下标从0开始)。

/**
  * 存放元素的数组
  * 在新增元素的时候，如果遇到数组不够会创建新的数组，并且将原数组的元素拷贝到新数据；最后将该应用变量指向新数组
  */
transient Object[] elementData;

/**
  * 数组的大小
  * size代表的是已使用elementData的元素的数量，也即是size()方法的大小
  */
private int size;

构造方法

ArrayList一共有3个构造方法，分别如下所示。

1. ArrayList(int initialCapacity)

ArrayList(int initialCapacity)构造方法，根据传入的 initialCapacity初始化容量来创建 elementData数组。如果我们在使用 ArrayList的时候，预先知道元素的数量，应该尽可能的使用该构造方法，这样可避免数据扩容，从而提升性能，同时也是合理的利用内存空间（一点不浪费~）。

public ArrayList(int initialCapacity) {
   
    if (initialCapacity > 0) {
   
        // 初始化容量大于0，创建Object数组
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
    } else if (initialCapacity == 0) {
   
        // 初始化容量为 0 时，使用 EMPTY_ELEMENTDATA 对象
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    } else {
   
        // 参数异常
        throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: " + initialCapacity);
    }
}

这里需要留意的是：当初始化容量 initialCapcity为 0 的时候，使用了一个 EMPTY_ELEMENTDATA对象，查看源码可知其定义： private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {}是一个空数组。在添加元素的时候，会进行扩容创建需要的数组。

2. ArryaList()

无参构造方法，平时使用的时候，如果你的IDEA有安装 sonarLint扫描，会被提示：创建集合的时候要指定初始化容量噢~

public ArrayList() {
   
    // 实际创建的时候是空数组，在首次添加元素的时候，才会初始化容量为10的数组
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

无参构造方法使用了 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA对象，查看源码可知其定义：private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {}是一个空数组。

似乎有朋友会有疑问：“我之前学习的时候被灌输的是：当未指定初始化大小的时候，ArrayList默认的大小是10呀！”

这句话一定程度上来说是没问题的，只是缺失了一些补充描述：当未指定初始化大小的时候，ArrayList先是初始化为一个空数组；但在首次添加元素时，ArrayList才会初始化为一个容量为10的数组。这么做的原因是节省内存，一些场景可能只是单纯的定义了数组并没有真实的使用，直接初始化容量为10的数组会造成不必要的浪费。

细心的朋友可能会有疑问：“既然都是空的数组，那为什么不直接使用 EMPTY_ELEMENTDATA空数组；而是要重新定义一个新的空数组 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA呢？”

别急，正所谓：“存在即是合理。” 设计者这么做肯定有其特殊的考虑，后面在介绍 数组扩容的时候会详细介绍两者的不同；DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA的首次扩容是 10， EMPTY_ELEMENTDATA的首次扩容是按照1.5倍扩容，从0开始；两者的起点不同。

3. ArrayList(Collection<? extends E> c)

ArrayList(Collection<? extends E> c)构造方法，使用传入的集合 c 作为 ArrayList的 elementData

public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
   
    // element指向c.toArray()  toArray()方法会创建一个新的数组
    elementData = c.toArray