死磕 java集合之ArrayList源碼分析

見過的最詳細的ArrayList的源碼分析了，分析得很透徹。比如，c.toArray()一定返回Object[]類型嗎？elementData聲明為transient，那它到底是怎麼序列化的呢？遠遠不止這些…… ...

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簡介

ArrayList是一種以數組實現的List，與數組相比，它具有動態擴展的能力，因此也可稱之為動態數組。

繼承體系

ArrayList

ArrayList實現了List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable等介面。

ArrayList實現了List，提供了基礎的添加、刪除、遍歷等操作。

ArrayList實現了RandomAccess，提供了隨機訪問的能力。

ArrayList實現了Cloneable，可以被克隆。

ArrayList實現了Serializable，可以被序列化。

源碼解析

屬性

/**
 * 預設容量
 */
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

/**
 * 空數組，如果傳入的容量為0時使用
 */
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

/**
 * 空數組，傳傳入容量時使用，添加第一個元素的時候會重新初始為預設容量大小
 */
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

/**
 * 存儲元素的數組
 */
transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access

/**
 * 集合中元素的個數
 */
private int size;

（1）DEFAULT_CAPACITY

預設容量為10，也就是通過new ArrayList()創建時的預設容量。

（2）EMPTY_ELEMENTDATA

空的數組，這種是通過new ArrayList(0)創建時用的是這個空數組。

（3）DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA

也是空數組，這種是通過new ArrayList()創建時用的是這個空數組，與EMPTY_ELEMENTDATA的區別是在添加第一個元素時使用這個空數組的會初始化為DEFAULT_CAPACITY（10）個元素。

（4）elementData

真正存放元素的地方，使用transient是為了不序列化這個欄位。

至於沒有使用private修飾，後面註釋是寫的“為了簡化嵌套類的訪問”，但是樓主實測加了private嵌套類一樣可以訪問。

private表示是類私有的屬性，只要是在這個類內部都可以訪問，嵌套類或者內部類也是在類的內部，所以也可以訪問類的私有成員。

（5）size

真正存儲元素的個數，而不是elementData數組的長度。

ArrayList(int initialCapacity)構造方法

傳入初始容量，如果大於0就初始化elementData為對應大小，如果等於0就使用EMPTY_ELEMENTDATA空數組，如果小於0拋出異常。

public ArrayList(int initialCapacity) {
    if (initialCapacity > 0) {
        // 如果傳入的初始容量大於0，就新建一個數組存儲元素
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
    } else if (initialCapacity == 0) {
        // 如果傳入的初始容量等於0，使用空數組EMPTY_ELEMENTDATA
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    } else {
        // 如果傳入的初始容量小於0，拋出異常
        throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: " + initialCapacity);
    }
}

ArrayList()構造方法

不傳初始容量，初始化為DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA空數組，會在添加第一個元素的時候擴容為預設的大小，即10。

public ArrayList() {
    // 如果沒有傳入初始容量，則使用空數組DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
    // 使用這個數組是在添加第一個元素的時候會擴容到預設大小10
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

ArrayList(Collection<? extends E> c)構造方法

傳入集合併初始化elementData，這裡會使用拷貝把傳入集合的元素拷貝到elementData數組中，如果元素個數為0，則初始化為EMPTY_ELEMENTDATA空數組。

/**
* 把傳入集合的元素初始化到ArrayList中
*/
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
    // 集合轉數組
    elementData = c.toArray();
    if ((size = elementData.length) != 0) {
        // 檢查c.toArray()返回的是不是Object[]類型，如果不是，重新拷貝成Object[].class類型
        if (elementData.getClass() != Object[].class)
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
    } else {
        // 如果c的空集合，則初始化為空數組EMPTY_ELEMENTDATA
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
}

為什麼c.toArray();返回的有可能不是Object[]類型呢？請看下麵的代碼：

public class ArrayTest {
    public static void main(String[] args) {
        Father[] fathers = new Son[]{};
        // 列印結果為class [Lcom.coolcoding.code.Son;
        System.out.println(fathers.getClass());

        List<String> strList = new MyList();
        // 列印結果為class [Ljava.lang.String;
        System.out.println(strList.toArray().getClass());
    }
}

class Father {}

class Son extends Father {}

class MyList extends ArrayList<String> {
    /**
     * 子類重寫父類的方法，返回值可以不一樣
     * 但這裡只能用數組類型，換成Object就不行
     * 應該算是java本身的bug
     */
    @Override
    public String[] toArray() {
        // 為了方便舉例直接寫死
        return new String[]{"1", "2", "3"};
    }
}

add(E e)方法

添加元素到末尾，平均時間複雜度為O(1)。

public boolean add(E e) {
    // 檢查是否需要擴容
    ensureCapacityInternal(size + 1);
    // 把元素插入到最後一位
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}

private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
    // 如果是空數組DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA，就初始化為預設大小10
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    return minCapacity;
}

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;

    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        // 擴容
        grow(minCapacity);
}

private void grow(int minCapacity) {
    int oldCapacity = elementData.length;
    // 新容量為舊容量的1.5倍
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    // 如果新容量發現比需要的容量還小，則以需要的容量為準
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    // 如果新容量已經超過最大容量了，則使用最大容量
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    // 以新容量拷貝出來一個新數組
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

（1）檢查是否需要擴容；

（2）如果elementData等於DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA則初始化容量大小為DEFAULT_CAPACITY；

（3）新容量是老容量的1.5倍（oldCapacity + (oldCapacity >> 1)），如果加了這麼多容量發現比需要的容量還小，則以需要的容量為準；

（4）創建新容量的數組並把老數組拷貝到新數組；

add(int index, E element)方法

添加元素到指定位置，平均時間複雜度為O(n)。

public void add(int index, E element) {
    // 檢查是否越界
    rangeCheckForAdd(index);
    // 檢查是否需要擴容
    ensureCapacityInternal(size + 1);
    // 將inex及其之後的元素往後挪一位，則index位置處就空出來了
    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                     size - index);
    // 將元素插入到index的位置
    elementData[index] = element;
    // 大小增1
    size++;
}

private void rangeCheckForAdd(int index) {
    if (index > size || index < 0)
        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}

（1）檢查索引是否越界；

（2）檢查是否需要擴容；

（3）把插入索引位置後的元素都往後挪一位；

（4）在插入索引位置放置插入的元素；

（5）大小加1；

addAll(Collection<? extends E> c)方法

求兩個集合的並集。

/**
* 將集合c中所有元素添加到當前ArrayList中
*/
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
    // 將集合c轉為數組
    Object[] a = c.toArray();
    int numNew = a.length;
    // 檢查是否需要擴容
    ensureCapacityInternal(size + numNew);
    // 將c中元素全部拷貝到數組的最後
    System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
    // 大小增加c的大小
    size += numNew;
    // 如果c不為空就返回true，否則返回false
    return numNew != 0;
}

（1）拷貝c中的元素到數組a中；

（2）檢查是否需要擴容；

（3）把數組a中的元素拷貝到elementData的尾部；

get(int index)方法

獲取指定索引位置的元素，時間複雜度為O(1)。

public E get(int index) {
    // 檢查是否越界
    rangeCheck(index);
    // 返回數組index位置的元素
    return elementData(index);
}

private void rangeCheck(int index) {
    if (index >= size)
        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}

E elementData(int index) {
    return (E) elementData[index];
}

（1）檢查索引是否越界，這裡只檢查是否越上界，如果越上界拋出IndexOutOfBoundsException異常，如果越下界拋出的是ArrayIndexOutOfBoundsException異常。

（2）返回索引位置處的元素；

remove(int index)方法

刪除指定索引位置的元素，時間複雜度為O(n)。

public E remove(int index) {
    // 檢查是否越界
    rangeCheck(index);

    modCount++;
    // 獲取index位置的元素
    E oldValue = elementData(index);
    
    // 如果index不是最後一位，則將index之後的元素往前挪一位
    int numMoved = size - index - 1;
    if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
    
    // 將最後一個元素刪除，幫助GC
    elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work

    // 返回舊值
    return oldValue;
}

（1）檢查索引是否越界；

（2）獲取指定索引位置的元素；

（3）如果刪除的不是最後一位，則其它元素往前移一位；

（4）將最後一位置為null，方便GC回收；

（5）返回刪除的元素。

可以看到，ArrayList刪除元素的時候並沒有縮容。

remove(Object o)方法

刪除指定元素值的元素，時間複雜度為O(n)。

public boolean remove(Object o) {
    if (o == null) {
        // 遍歷整個數組，找到元素第一次出現的位置，並將其快速刪除
        for (int index = 0; index < size; index++)
            // 如果要刪除的元素為null，則以null進行比較，使用==
            if (elementData[index] == null) {
                fastRemove(index);
                return true;
            }
    } else {
        // 遍歷整個數組，找到元素第一次出現的位置，並將其快速刪除
        for (int index = 0; index < size; index++)
            // 如果要刪除的元素不為null，則進行比較，使用equals()方法
            if (o.equals(elementData[index])) {
                fastRemove(index);
                return true;
            }
    }
    return false;
}

private void fastRemove(int index) {
    // 少了一個越界的檢查
    modCount++;
    // 如果index不是最後一位，則將index之後的元素往前挪一位
    int numMoved = size - index - 1;
    if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
    // 將最後一個元素刪除，幫助GC
    elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
}

（1）找到第一個等於指定元素值的元素；

（2）快速刪除；

fastRemove(int index)相對於remove(int index)少了檢查索引越界的操作，可見jdk將性能優化到極致。

retainAll(Collection<?> c)方法

求兩個集合的交集。

public boolean retainAll(Collection<?> c) {
    // 集合c不能為null
    Objects.requireNonNull(c);
    // 調用批量刪除方法，這時complement傳入true，表示刪除不包含在c中的元素
    return batchRemove(c, true);
}

/**
* 批量刪除元素
* complement為true表示刪除c中不包含的元素
* complement為false表示刪除c中包含的元素
*/
private boolean batchRemove(Collection<?> c, boolean complement) {
    final Object[] elementData = this.elementData;
    // 使用讀寫兩個指針同時遍曆數組
    // 讀指針每次自增1，寫指針放入元素的時候才加1
    // 這樣不需要額外的空間，只需要在原有的數組上操作就可以了
    int r = 0, w = 0;
    boolean modified = false;
    try {
        // 遍歷整個數組，如果c中包含該元素，則把該元素放到寫指針的位置（以complement為準）
        for (; r < size; r++)
            if (c.contains(elementData[r]) == complement)
                elementData[w++] = elementData[r];
    } finally {
        // 正常來說r最後是等於size的，除非c.contains()拋出了異常
        if (r != size) {
            // 如果c.contains()拋出了異常，則把未讀的元素都拷貝到寫指針之後
            System.arraycopy(elementData, r,
                             elementData, w,
                             size - r);
            w += size - r;
        }
        if (w != size) {
            // 將寫指針之後的元素置為空，幫助GC
            for (int i = w; i < size; i++)
                elementData[i] = null;
            modCount += size - w;
            // 新大小等於寫指針的位置（因為每寫一次寫指針就加1，所以新大小正好等於寫指針的位置）
            size = w;
            modified = true;
        }
    }
    // 有修改返回true
    return modified;
}

（1）遍歷elementData數組；

（2）如果元素在c中，則把這個元素添加到elementData數組的w位置並將w位置往後移一位；

（3）遍歷完之後，w之前的元素都是兩者共有的，w之後（包含）的元素不是兩者共有的；

（4）將w之後（包含）的元素置為null，方便GC回收；

removeAll(Collection<?> c)

求兩個集合的單方向差集，只保留當前集合中不在c中的元素，不保留在c中不在當前集體中的元素。

public boolean removeAll(Collection<?> c) {
    // 集合c不能為空
    Objects.requireNonNull(c);
    // 同樣調用批量刪除方法，這時complement傳入false，表示刪除包含在c中的元素
    return batchRemove(c, false);
}

與retainAll(Collection<?> c)方法類似，只是這裡保留的是不在c中的元素。

總結

（1）ArrayList內部使用數組存儲元素，當數組長度不夠時進行擴容，每次加一半的空間，ArrayList不會進行縮容；

（2）ArrayList支持隨機訪問，通過索引訪問元素極快，時間複雜度為O(1)；

（3）ArrayList添加元素到尾部極快，平均時間複雜度為O(1)；

（4）ArrayList添加元素到中間比較慢，因為要搬移元素，平均時間複雜度為O(n)；

（5）ArrayList從尾部刪除元素極快，時間複雜度為O(1)；

（6）ArrayList從中間刪除元素比較慢，因為要搬移元素，平均時間複雜度為O(n)；

（7）ArrayList支持求並集，調用addAll(Collection<? extends E> c)方法即可；

（8）ArrayList支持求交集，調用retainAll(Collection<? extends E> c)方法即可；

（7）ArrayList支持求單向差集，調用removeAll(Collection<? extends E> c)方法即可；

彩蛋

elementData設置成了transient，那ArrayList是怎麼把元素序列化的呢？

private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
        throws java.io.IOException{
    // 防止序列化期間有修改
    int expectedModCount = modCount;
    // 寫出非transient非static屬性（會寫出size屬性）
    s.defaultWriteObject();

    // 寫出元素個數
    s.writeInt(size);

    // 依次寫出元素
    for (int i=0; i<size; i++) {
        s.writeObject(elementData[i]);
    }

    // 如果有修改，拋出異常
    if (modCount != expectedModCount) {
        throw new ConcurrentModificationException();
    }
}

private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
        throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
    // 聲明為空數組
    elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;

    // 讀入非transient非static屬性（會讀取size屬性）
    s.defaultReadObject();

    // 讀入元素個數，沒什麼用，只是因為寫出的時候寫了size屬性，讀的時候也要按順序來讀
    s.readInt();

    if (size > 0) {
        // 計算容量
        int capacity = calculateCapacity(elementData, size);
        SharedSecrets.getJavaOISAccess().checkArray(s, Object[].class, capacity);
        // 檢查是否需要擴容
        ensureCapacityInternal(size);
        
        Object[] a = elementData;
        // 依次讀取元素到數組中
        for (int i=0; i<size; i++) {
            a[i] = s.readObject();
        }
    }
}

查看writeObject()方法可知，先調用s.defaultWriteObject()方法，再把size寫入到流中，再把元素一個一個的寫入到流中。

一般地，只要實現了Serializable介面即可自動序列化，writeObject()和readObject()是為了自己控制序列化的方式，這兩個方法必須聲明為private，在java.io.ObjectStreamClass#getPrivateMethod()方法中通過反射獲取到writeObject()這個方法。

在ArrayList的writeObject()方法中先調用了s.defaultWriteObject()方法，這個方法是寫入非static非transient的屬性，在ArrayList中也就是size屬性。同樣地，在readObject()方法中先調用了s.defaultReadObject()方法解析出了size屬性。

elementData定義為transient的優勢，自己根據size序列化真實的元素，而不是根據數組的長度序列化元素，減少了空間占用。

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