Java8 ArrayList 详解

　　ArrayList 是 Java 集合框架中比较常用的数据结构，底层基于数组实现容量大小的动态变化，所以会占用一块连续的内存空间。ArrayList 是线程不安全的，允许元素为 null。它继承了 AbstractList，实现了 List，RandomAccess，Cloneable，java.io.Serializable 接口，所以ArrayList 是支持快速访问、复制、序列化的。

一、数据结构

ArrayList 的数据结构如图所示：

二、成员变量

/**
     * 默认初始容量大小为 10
     */
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

    /**
     * 指定该ArrayList容量为0时，返回该空数组。
     */
    private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

    /**
     * 当调用无参构造方法，返回的是该数组。刚创建一个ArrayList 时，其内数据量为0。
     * 它与EMPTY_ELEMENTDATA的区别就是：该数组是默认返回的，而后者是在用户指定容量为0时返回。
     */
    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

    /**
     * 存储集合元素的底层实现：真正存放元素的数组。
     * 被标记为transient，在对象被序列化的时候不会被序列化。
     */
    transient Object[] elementData; 

    /**
     * 实际元素数量
     */
    private int size;

三、构造函数分析

1、无参构造函数

public ArrayList() {
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }

注释是说构造一个容量大小为 10 的空的 list 集合，但构造函数了只是给 elementData 赋值了一个空的数组，其实是在第一次添加元素时容量扩大至 10 的。

2、指定容量的构造函数

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);
        }
    }

　　由以上源码可见：当使用无参构造函数时是把 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 赋值给 elementData。当 initialCapacity 为零时则是把 EMPTY_ELEMENTDATA 赋值给 elementData。当 initialCapacity 大于零时初始化一个大小为 initialCapacity 的 object 数组并赋值给 elementData。

3、传入一个集合类作为参数的构造函数

构造一个包含指定 collection 的元素的列表，这些元素是按照该 collection 的迭代器返回它们的顺序排列的。

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;
        }
    }

四、核心方法分析

1、add(E e)

public boolean add(E e) {
        // 容量空间检查，如果不够，容量加1。注意：只加1，保证资源不被浪费
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        // 数组末尾增加一个元素，并且修改 size
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }

从源码中可以看出，add 方法有两个步骤：
① 空间检查，如果需要则扩容。
② 插入元素。

数组容量检查方法源码如下：

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
    }
    
    private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
        // 通过这个判断是否是使用默认构造函数初始化
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
            return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }
        return minCapacity;
    }

    public void ensureCapacity(int minCapacity) {
        int minExpand = (elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)
            // any size if not default element table
            ? 0
            // larger than default for default empty table. It's already
            // supposed to be at default size.
            : DEFAULT_CAPACITY;

        if (minCapacity > minExpand) {
            ensureExplicitCapacity(minCapacity);
        }
    }

数组扩容操作：

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

        // 确保指定的最小容量 > 数组缓冲区当前的长度 
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            // 扩容 
            grow(minCapacity);
    }

    private void grow(int minCapacity) {
        // 获取当前数组的容量
        int oldCapacity = elementData.length;
        // 扩容。新的容量=当前容量+当前容量/2.即将当前容量增加一半。
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        //如果扩容后的容量还是小于想要的最小容量
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            //将扩容后的容量再次扩容为想要的最小容量
            newCapacity = minCapacity;
        //如果扩容后的容量大于临界值，则进行大容量分配
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
        // 数组重新复制
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }

对于扩容方法的总结如下：

进行空间检查，决定是否进行扩容，以及确定最少需要的容量。
如果确定扩容，就执行grow(int minCapacity)，minCapacity为最少需要的容量。
第一次扩容，逻辑为newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);即在原有的容量基础上增加一半。
第一次扩容后，如果容量还是小于minCapacity，就将容量扩充为minCapacity。
对扩容后的容量进行判断，如果大于允许的最大容量MAX_ARRAY_SIZE，则将容量再次调整为MAX_ARRAY_SIZE。至此扩容操作结束。

2、add(int index, E element)

添加元素 element 到 index 位置。

/**
 * 在制定位置插入元素。当前位置的元素和index之后的元素向后移一位
 *
 * @param index 即将插入元素的位置
 * @param element 即将插入的元素
 * @throws IndexOutOfBoundsException 如果索引超出size
 */
public void add(int index, E element) {
    //越界检查
    rangeCheckForAdd(index);
    //确认list容量，如果不够，容量加1。注意：只加1，保证资源不被浪费
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    // 对数组进行复制处理，目的就是空出index的位置插入element，并将index后的元素位移一个位置
    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,size - index);
    //将指定的index位置赋值为element
    elementData[index] = element;
    //实际容量+1
    size++;
}

add(int index, E e)需要先对元素进行移动，然后完成插入操作，也就意味着该方法有着线性的时间复杂度，即O(n)。

3、remove(int index)

ublic E remove(int index) {
         // 下标越界检查 
        rangeCheck(index);
        // 记录修改次数
        modCount++;
        E oldValue = elementData(index);

        int numMoved = size - index - 1;
        if (numMoved > 0)
            // 左移操作
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                             numMoved);
        // size减一，然后将索引为size-1处的元素置为null。为了让GC起作用，必须显式的为最后一个位置赋null值
        elementData[--size] = null;
        return oldValue;
    }

注意：为了让GC起作用，必须显式的为最后一个位置赋null值。上面代码中如果不手动赋null值，除非对应的位置被其他元素覆盖，否则原来的对象就一直不会被回收。

4、get(int index)

不会修改modCount，相对增删是高效的操作。

 public E get(int index) {
        rangeCheck(index);

        return elementData(index);
    }

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

由于 ArrayList 底层是基于数组实现的，所以获取元素就相当简单了，直接调用数组随机访问即可。

5、void clear()

清空数组中的数据，modCount 会修改。

public void clear() {
    modCount++;

    // clear to let GC do its work
    for (int i = 0; i < size; i++)
        elementData[i] = null;

    size = 0;
}

6、set( int index, E element)

/**
 * 替换指定索引的元素
 *
 * @param 被替换元素的索引
 * @param element 即将替换到指定索引的元素
 * @return 返回被替换的元素
 * @throws IndexOutOfBoundsException 如果参数指定索引index>=size，抛出一个越界异常
 */
public E set(int index, E element) {
    //检查索引是否越界。如果参数指定索引index>=size，抛出一个越界异常
    rangeCheck(index);

    //记录被替换的元素
    E oldValue = elementData(index);
    //替换元素
    elementData[index] = element;
    //返回被替换的元素
    return oldValue;
}