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  • 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

    1. 属性分析
    /**
     * 默认初始化容量
     */
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

    /**
     * 如果自定义容量为0,则会默认用它来初始化ArrayList。或者用于空数组替换。
     */
    private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

    /**
     * 如果没有自定义容量,则会使用它来初始化ArrayList。或者用于空数组比对。
     */
    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

    /**
     * 这就是ArrayList底层用到的数组

     * 非私有,以简化嵌套类访问
     * transient 在已经实现序列化的类中,不允许某变量序列化
     */
    transient Object[] elementData;

    /**
     * 实际ArrayList集合大小
     */
    private int size;

    /**
     * 可分配的最大容量
     */
    private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE – 8;

    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sizeelement写入ObjectOutputStream;反序列化时调用readObject(),从ObjectInputStream获取sizeelement,再恢复到elementData
    那为什么不直接用elementData来序列化,而采用上诉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
    2. 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:
    /**
     * 根据initialCapacity 初始化一个空数组
     */
    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);
        }
    }
    不带参数初始化,默认容量为10:
    /**
     * 不带参数初始化,默认容量为10
     */
    public ArrayList() {
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_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:
    /**
     * 通过集合做参数的形式初始化
     */
    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;
        }
    }

    3. 主干方法

    trimToSize()方法:
    用来最小化实例存储,将容器大小调整为当前元素所占用的容量大小。
    /**
     * 这个方法用来最小化实例存储。
     */
    public void trimToSize() {
        modCount++;
        if (size < elementData.length) {
            elementData = (size == 0)
              ? EMPTY_ELEMENTDATA
              : Arrays.copyOf(elementData, size);
        }

    }

    clone()方法
    用来克隆出一个新数组。
    public Object clone() {
        try {
            ArrayList<?> v = (ArrayList<?>) super.clone();
            v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);
            v.modCount = 0;
            return v;
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            // this shouldn’t happen, since we are Cloneable
            throw new InternalError(e);
        }
    }
    通过调用Objectclone()方法来得到一个新的ArrayList对象,然后将elementData复制给该对象并返回。
    add(E e)方法
    在数组末尾添加元素
    /**
     * 在数组末尾添加元素
     */
    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) {
        ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, 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
    private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
            return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }
        return minCapacity;

    }

    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。
    1. 获取当前数组长度=>oldCapacity
    2. 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。
    3. 如果newCapacity&gt;1=1,1&lt;2所以如果不处理该情况,扩容将不能正确完成。
    4. 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。
    5. 将elementData拷贝到一个新的容量中。

    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:
    1. 如果集合添加元素成功后,集合中的实际元素个数。
    2. 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.
    public static void main(String[] args{
        ArrayList arrayList = new ArrayList();
        System.out.println(arrayList.size());
    }

    输出:0
    事实上上面的代码是证明不了容量大小的,因为size只会在调用add()方法时才会自增。有办法的小伙伴可以在评论区大显神通。

    add(int index, E element)方法
    public void add(int index, E element) {
        rangeCheckForAdd(index);

        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                         size – index);
        elementData[index] = element;
        size++;
    }
    rangeCheckForAdd()是越界异常检测方法。ensureCapacityInternal()之前有讲,着重说一下System.arrayCopy方法:
    public static void arraycopy(Object src, int srcPos, Object dest, int destPos, int length)
    代码解释:
    • Object src : 原数组
    • int srcPos : 从元数据的起始位置开始
    • Object dest : 目标数组
    • int destPos : 目标数组的开始起始位置
    • int length : 要copy的数组的长度
    示例:size为6,我们调用add(2,element)方法,则会从index=2+1=3的位置开始,将数组元素替换为从index起始位置为index=2,长度为6-2=4的数据。
    异常处理:
    private void rangeCheckForAdd(int index) {
        if (index > size || index < 0)
            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));

    }

    set(int index,E element)方法
    public E set(int index, E element) {
        rangeCheck(index);

        E oldValue = elementData(index);
        elementData[index] = element;
        return oldValue;
    }

    E elementData(int index) {
        return (E) elementData[index];
    }
    逻辑很简单,覆盖旧值并返回。
    indexOf(Object o)方法
    根据Object对象获取数组中的索引值。
    public int indexOf(Object o{
        if (o == null) {
            for (int i = 0; i < size; i++)
                if (elementData[i]==null)
                    return i;
        } else {
            for (int i = 0; i < size; i++)
                if (o.equals(elementData[i]))
                    return i;
        }
        return -1;

    }

    如果o为空,则返回数组中第一个为空的索引;不为空也类似。
    注意:通过源码可以看到,该方法是允许传空值进来的。
    get(int index)方法
    返回指定下标处的元素的值。
    public E get(int index) {
        rangeCheck(index);

        return elementData(index);
    }
    rangeCheck(index)会检测index值是否合法,如果合法则返回索引对应的值。
    remove(int index)方法
    删除指定下标的元素。
    public E remove(int index) {
        // 检测index是否合法
        rangeCheck(index);
        // 数据结构修改次数
        modCount++;
        E oldValue = elementData(index);

        // 记住这个算法
        int numMoved = size – index – 1;
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                             numMoved);
        elementData[–size] = null; // clear to let GC do its work

        return oldValue;

    }

    这里又碰到了System.arraycopy()方法,详情请查阅上文。
    大概思路:将该元素后面的元素前移,最后一个元素置空。

    ArrayList优缺点

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

    手写ArrayList

    那面试手写ArrayList应该就不是问题了。
    下面贴出我手写的一个简单阉割版的ArrayList:
    public class MyArrayList {

        // 非私有,以简化嵌套类访问
        // transient 在已经实现序列化的类中,不允许某变量序列化
        transient Object[] elementData;

        //默认容量
        private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

        // 用于空实例的 空数组实例
        private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

        private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
        // 实际ArrayList集合大小
        private int size;
        /**
         * 构造方法
         */
        public MyArrayList(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);
            }
        }
        public MyArrayList(){
            this(DEFAULT_CAPACITY);
        }

        public void add(Object o){
            //1. 判断数据容量是否大于 elementData
            ensureExplicitCapacity(size+1);
            //2. 使用下标进行赋值
            elementData[size++] = o;
        }
        private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity){
            if (size == elementData.length){
                // 需要扩容,扩容1.5倍(ArrayList默认扩容1.5倍)
                // 注意:如果oldCapacity值为1
                int oldCapacity = elementData.length;
                int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
                // 如果新容量 < 最小容量, 则将最小容量赋值给新容量
                // 如果 oldCapacity=1, 则 minCapacity=1+1=2   newCapacity=1+(1>>1)=1
                if (newCapacity – minCapacity < 0){
                    newCapacity = minCapacity;
                }
                // 创建新数组
                Object[] objects = new Object[newCapacity];
                // 将数据复制给新数组
                System.arraycopy(elementData, 0, objects, 0, elementData.length);
                // 修改引用
                elementData = objects;
            }
        }
        public Object get(int index) {
            rangeCheck(index);
            return elementData[index];
        }
        private void rangeCheck(int index) {
            if (index >= size)
                throw new IndexOutOfBoundsException(“下标越界”);
        }

        /**
         * 通过下标删除
         * @param index
         * @return
         */
        public Object remove(int index) {
            rangeCheck(index);

    //        modCount++;
            // 先查出元素
            Object oldValue = elementData[index];
            // 找出置换结束位置
            int numMoved = size – index – 1;
            if (numMoved > 0)
                // 从 index+1 开始 将值覆盖为 index-numMoved 的值
                System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
            elementData[–size] = null// clear to let GC do its work

            return oldValue;
        }
        public boolean remove(Object o) {
                for (int index = 0; index < size; index++){
                    if (o.equals(elementData[index])) {
                        remove(index);
                        return true;
                    }
                }
            return false;
        }
    }

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