ArrayList 源码解析

重要概念

ArrayList 是 java 集合框架中比较常用的数据结构,继承自 AbstractList，实现了 List 接口。底层采用数组来实现。ArrayList 实现了java.io.Serializable接口，这意味着ArrayList支持序列化，能通过序列化去传输。

重要特点

1. 动态大小：ArrayList 是一个可变大小的数组，它允许存储任何类型的对象，并且可以动态地增加或减少其容量。
2. 数组实现：ArrayList基于数组实现，这使得它具有高效的内部数据结构，可以快速随机访问列表中的元素。但是，如果你需要从列表的中间位置插入或删除元素，这可能会涉及到数组元素的移动，所以可能相对较慢。
3. 线程不安全：ArrayList 并非线程安全的，如果多个线程同时对 ArrayList 进行读写操作，可能会导致数据不一致。
4. 性能：ArrayList的插入和删除操作效率低，因为需要移动数组中的元素。但是，对于随机访问操作，ArrayList的效率较高，因为数组是连续存储的。

类关系

继承了2个抽象类，直接或间接实现了6个接口。

ArrayList继承了抽象类AbstractList，并实现了List、RandomAccess、Cloneable、Serializable等接口。

抽象类AbstractList继承了抽象类AbstractCollection，并实现了List接口；抽象类AbstractCollection实现了Collection接口，Collection接口继承了Iterable接口。

实现RandomAccess接口：表明ArrayList支持快速（通常是常量时间）的随机访问。

实现了Cloneable接口，表明它支持克隆。可以调用clone()进行浅拷贝。

实现了Serializable接口，表明它支持序列化。

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

基本结构

ArrayList的底层是一个Object类型的数组elementData，存储元素的顺序的。默认初始容量是10，数组的长度可以动态调整。

重要字段

按惯例，我们先看一下ArrayList的几个重要的字段。

DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA（默认共享空对象）：当创建ArrayList对象未指定大小或指定大小为0时，默认的共享空对象

EMPTY_ELEMENTDATA（共享空对象）：当往数组中添加元素时，用来判断数组当前是否是空的

DEFAULT_CAPACITY(默认容量):在往数组中第一次添加元素时，数组容量会从0变成默认容量的大小，也就是10。

elementData（放元素的数组）：**重要！！！**这个就是用于存放元素的地方

size（当前元素个数）：表示当前存放元素的个数

     /**
     * 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;

ArrayList的构造函数

1. 未指定容量大小时： 初始对象未空对象，在添加对象的时候，会先转换为默认的大小10，再添加元素

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

2. 指定初始容量大小时： 立马创建一个指定大小的数组，作为容器

    /**
     * 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) {
        if (initialCapacity > 0) {
            this.elementData = new Object[initialCapacity];
        } else if (initialCapacity == 0) {
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        } else {
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                               initialCapacity);
        }
    }

3. 指定存储的元素： 传入集合元素

 /**
     * 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();
        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;
        }
    }

自动扩容

每当向数组中添加元素时，都要去检查添加后元素的个数是否会超出当前数组的长度，如果超出，数组将会进行扩容，以满足添加数据的需求。数组扩容通过一个公开的方法ensureCapacity(int minCapacity)来实现。在实际添加大量元素前，我也可以使用ensureCapacity来手动增加ArrayList实例的容量，以减少递增式再分配的数量。

数组进行扩容时，会将老数组中的元素重新拷贝一份到新的数组中，每次数组容量的增长大约是其原容量的1.5倍。这种操作的代价是很高的，因此在实际使用时，我们应该尽量避免数组容量的扩张。当我们可预知要保存的元素的多少时，要在构造ArrayList实例时，就指定其容量，以避免数组扩容的发生。或者根据实际需求，通过调用ensureCapacity方法来手动增加ArrayList实例的容量。

    /**
     * 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;
    }

 private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_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
     */
    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);
    }