Java中ArrayList底层实现原理(JDK1.8)源码分析

目录

一、简介：

二、构造方法分析

三、主干方法

四、ArrayList优缺点

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一、简介：

　　ArrayList是我们开发中非常常用的数据存储容器之一，其底层是数组实现的，我们可以在集合中存储任意类型的数据，ArrayList是线程不安全的，非常适合用于对元素进行查找，效率非常高。

线程安全性：

　　对ArrayList的操作一般分为两个步骤，改变位置(size)和操作元素(e)。所以这个过程在多线程的环境下是不能保证具有原子性的，因此ArrayList在多线程的环境下是线程不安全的。

源码分析：

/**
     * Default initial capacity.
     */
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

    /**
     * Shared empty array instance used for empty instances.
     */
    private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

    /**
     * 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 == EMPTY_ELEMENTDATA will be expanded to
     * DEFAULT_CAPACITY when the first element is added.
     */
    private transient Object[] elementData;

    /**
     * The size of the ArrayList (the number of elements it contains).
     *
     * @serial
     */
    private int size;

扩展：什么是序列化
序列化是指：将对象转换成以字节序列的形式来表示，以便用于持久化和传输。
实现方法：实现Serializable接口。
然后用的时候拿出来进行反序列化即可又变成Java对象。

transient关键字解析
Java中transient关键字的作用，简单地说，就是让某些被修饰的成员属性变量不被序列化。
有了transient关键字声明，则这个变量不会参与序列化操作，即使所在类实现了Serializable接口，反序列化后该变量为空值。

那么问题来了：ArrayList中数组声明：transient Object[] elementData;，事实上我们使用ArrayList在网络传输用的很正常，并没有出现空值。
原来：ArrayList在序列化的时候会调用writeObject()方法，将size和element写入ObjectOutputStream；反序列化时调用readObject()，从ObjectInputStream获取size和element，再恢复到elementData。

那为什么不直接用elementData来序列化，而采用上述的方式来实现序列化呢？
原因在于elementData是一个缓存数组，它通常会预留一些容量，等容量不足时再扩充容量，那么有些空间可能就没有实际存储元素，采用上诉的方式来实现序列化时，就可以保证只序列化实际存储的那些元素，而不是整个数组，从而节省空间和时间。

二、构造方法分析

根据initialCapacity 初始化一个空数组，如果值为0，则初始化一个空数组:

/**
     * Constructs an empty list with the specified initial capacity.
     *
     * @param  initialCapacity  the initial capacity of the list
     * @throws IllegalArgumentException if the specified initial capacity
     *         is negative
     */
    public ArrayList(int initialCapacity) {
        super();
        if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                               initialCapacity);
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
    }

不带参数初始化，默认容量为10:

/**
     * Constructs an empty list with an initial capacity of ten.
     */
    public ArrayList() {
        super();
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    }

通过集合做参数的形式初始化：如果集合为空，则初始化为空数组：

/**
     * 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
     * @throws NullPointerException if the specified collection is null
     */
    public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
        elementData = c.toArray();
        size = elementData.length;
        // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
        if (elementData.getClass() != Object[].class)
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
    }

三、主干方法

add(E e)方法：在数组末尾添加元素

/**
     * 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) {
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }

看到它首先调用了ensureCapacityInternal()方法.注意参数是size+1,这是个面试考点

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        if (elementData == EMPTY_ELEMENTDATA) {
            minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }

        ensureExplicitCapacity(minCapacity);
    }

这个方法里又嵌套调用了两个方法:计算容量+确保容量
计算容量：如果elementData是空，则返回默认容量10和size+1的最大值，否则返回size+1

计算完容量后，进行确保容量可用：(modCount不用理它，它用来计算修改次数)
如果size+1 > elementData.length证明数组已经放满，则增加容量，调用grow()。

    private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        modCount++;
        // overflow-conscious code
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
    }

增加容量：默认1.5倍扩容。
获取当前数组长度=>oldCapacity
oldCapacity>>1 表示将oldCapacity右移一位(位运算)，相当于除2。再加上1，相当于新容量扩容1.5倍。
如果newCapacity>1=1,1<2所以如果不处理该情况，扩容将不能正确完成。
如果新容量比最大值还要大，则将新容量赋值为VM要求最大值。
将elementData拷贝到一个新的容量中。

/**
     * 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
     */
    private void grow(int minCapacity) {
        // overflow-conscious code
        int oldCapacity = elementData.length;
        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);
    }

size+1的问题

好了，那到这里可以说一下为什么要size+1。
size+1代表的含义是：
如果集合添加元素成功后，集合中的实际元素个数。
为了确保扩容不会出现错误。
假如不加一处理，如果默认size是0，则0+0>>1还是0。
如果size是1，则1+1>>1还是1。有人问:不是默认容量大小是10吗?事实上，jdk1.8版本以后，ArrayList的扩容放在add()方法中。之前放在构造方法中。我用的是1.8版本，所以默认ArrayList arrayList = new ArrayList();后，size应该是0.所以,size+1对扩容来讲很必要.

 

四、ArrayList优缺点

优点：
因为其底层是数组，所以修改和查询效率高。
可自动扩容(1.5倍)。
缺点：
插入和删除效率不高。
线程不安全。