ArrayList源码学习

ArrayList是最常用的集合类之一，下面我们结合源代码分析ArrayList的实现方式。

继承体系

ArrayList继承自AbstractList实现了List接口、Serializable接口、Cloneable接口、RandomAccess接口

• List接口，包括List的主要方法也是用的最多的方法。
• Serializable接口为标记接口表示支持序列化与反序列化。
• RandomAccess接口为标记接口，表示ArrayList支持通过下标进行随机访问。
• Cloneable接口表示ArrayList支持clone()方法来进行对象实例的克隆。

源码实现

ArrayList是List的子类之一，有一个主要的特征就是ArrayList是通过可变长的数组来实现的。在日常的开发中我们使用ArrayList一般都是通过List接口封装来调用List接口中定义的方法，与其他不同实现的子类基本没有什么区别。所以我们下面就围绕这个主要的区别来分析ArrayList的源代码。

初始化过程

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既然是通过数组来实现，那么ArrayList内部肯定要维护一个数组用来保存数据，可以看到有一个elementData数字类型字段就是用来保存对象的，ArrayList对象的所有操作可以说都是围绕elementData来进行的。数组有一个特性就是长度是固定的，那么ArrayList初始化的过程也就是这个elementData对象的初始化过程。主要就是确定初始化时elementData数组的长度。

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

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

    /**
     * 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 = {};

    /**
     * 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提供了三个构造方法如下：

		/**
     * 指定初始化容量
     *
     * @param  initialCapacity  初始化容量
     * @throws IllegalArgumentException if the specified initial capacity
     *         is negative
     */
    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);
        }
    }

    /**
     * 不指定初始化容量，默认容量为10，初始化时elementData等于DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA空数		 * 组
     */
    public ArrayList() {
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }

    /**
     * 传入一个集合，将集合中的全部元素存入ArrayList
     */
    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;
        }
    }

可以看到当不指定容量时，elementData默认为DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA这个空数组，如果容量为0时，elementData为EMPTY_ELEMENTDATA，这主要是为了区分用户是否指定了初始化容量，通过构造方法传递参数指定容量为0的空数组和不指定容量时的空数组，在扩容策略上是不一样的。

扩容过程

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当向初始化好的ArrayList中添加元素时，由于数组长度是固定的所以要确定是否需要进行扩容。我们来看一下add方法。

/**
 * 添加数据的方法
 */
public boolean add(E e) {
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        elementData[size++] = e;
        return true;
 }
/**
 * 检查容量是否需要扩充
 */
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}
/**
 * 当前需要的容量
 */
private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
            return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }
        return minCapacity;
}
/**
 * 比较当前需要的容量与当前实际容量，需要扩充调用grow方法扩充
 */
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        modCount++;

        // overflow-conscious code
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
}
/**
 * 扩充容量
 */
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);
}
/**
 * 超大容量处理
 */
private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
        if (minCapacity < 0) // overflow
            throw new OutOfMemoryError();
        return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
            Integer.MAX_VALUE :
            MAX_ARRAY_SIZE;
}

可以看到add方法中首先调用了ensureCapacityInternal方法来进行容量的检查。首先计算出一个最小容量即当前容量+1，如果当前elementData为DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA则表示此对象是同过无参构造方法创建的默认容量的ArrayList。取默认容量和当前需要的最小容量两者中的较大值，然后再与实际容量比较，如果大于了当前elementData的容量，表示需要扩容。此时调用grow方法进行扩容。

通过oldCapacity + (oldCapacity >> 1);将当前容量扩充为当前容量的1.5倍，然后检查容量是否够用了，如果还不够直接改变容量为计算出的最小需要的容量。如果容量过大设置容量为Integer.MAX_VALUE。然后通过**Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);**将当前数组复制到一个新的数组中。然后将新增的元素添加到对应下标的位置中去，新增元素的操作就结束了。

获取元素

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ArrayList获取元素特别简单高效，直接通过下标获取数组中的值。

//获取元素
public E get(int index) {
        rangeCheck(index);
        return elementData(index);
}
//检查下标是否有效，越界抛出IndexOutOfBoundsException异常
private void rangeCheck(int index) {
        if (index >= size)
            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}

遍历方式

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ArrayList常用的有三种遍历方式

• 通过下标遍历
• 增强for循环遍历
• 迭代器遍历

其中由于ArrayList自身通过数组实现的缘故，通过下标遍历最为高效。后面两种本质上是一样的增强for循环也是使用迭代器遍历实现的。

java8之后Iterable增加了forEach方法接收一个Consumer消费对象来处理集合中的数据， 集合类增加了流式遍历。但是目前用的很少，可以了解一下。

SubList方法

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List接口中有一个SubList方法，用于返回集合的一部分。这里需要注意在ArrayList中的SubList方法是通过ArrayList自己维护的一个内部类SubList实现的，返回的List对象的实际类型为ArrayList.SubList，不能强制转为ArrayList等对象。subList()方法返回的是ArrayList自身数据的一个视图，对subList()返回的集合的操作也会反应的ArrayList自身。