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转:【Java集合源码剖析】ArrayList源码剖析
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ArrayList简介
ArrayList是基于数组实现的,是一个动态数组,其容量能自动增长,类似于C语言中的动态申请内存,动态增长内存。
ArrayList不是线程安全的,只能用在单线程环境下,多线程环境下可以考虑用Collections.synchronizedList(List l)函数返回一个线程安全的ArrayList类,也可以使用concurrent并发包下的CopyOnWriteArrayList类。
ArrayList实现了Serializable接口,因此它支持序列化,能够通过序列化传输,实现了RandomAccess接口,支持快速随机访问,实际上就是通过下标序号进行快速访问,实现了Cloneable接口,能被克隆。
ArrayList源码剖析
ArrayList的源码如下(加入了比较详细的注释):
- package java.util;
- public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
- implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
- {
- // 序列版本号
- private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;
- // ArrayList基于该数组实现,用该数组保存数据
- private transient Object[] elementData;
- // ArrayList中实际数据的数量
- private int size;
- // ArrayList带容量大小的构造函数。
- public ArrayList(int initialCapacity) {
- super();
- if (initialCapacity < 0)
- throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
- initialCapacity);
- // 新建一个数组
- this.elementData = new Object[initialCapacity];
- }
- // ArrayList无参构造函数。默认容量是10。
- public ArrayList() {
- this(10);
- }
- // 创建一个包含collection的ArrayList
- public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
- elementData = c.toArray();
- size = elementData.length;
- if (elementData.getClass() != Object[].class)
- elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
- }
- // 将当前容量值设为实际元素个数
- public void trimToSize() {
- modCount++;
- int oldCapacity = elementData.length;
- if (size < oldCapacity) {
- elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);
- }
- }
- // 确定ArrarList的容量。
- // 若ArrayList的容量不足以容纳当前的全部元素,设置 新的容量=“(原始容量x3)/2 + 1”
- public void ensureCapacity(int minCapacity) {
- // 将“修改统计数”+1,该变量主要是用来实现fail-fast机制的
- modCount++;
- int oldCapacity = elementData.length;
- // 若当前容量不足以容纳当前的元素个数,设置 新的容量=“(原始容量x3)/2 + 1”
- if (minCapacity > oldCapacity) {
- Object oldData[] = elementData;
- int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1;
- //如果还不够,则直接将minCapacity设置为当前容量
- if (newCapacity < minCapacity)
- newCapacity = minCapacity;
- elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
- }
- }
- // 添加元素e
- public boolean add(E e) {
- // 确定ArrayList的容量大小
- ensureCapacity(size + 1); // Increments modCount!!
- // 添加e到ArrayList中
- elementData[size++] = e;
- return true;
- }
- // 返回ArrayList的实际大小
- public int size() {
- return size;
- }
- // ArrayList是否包含Object(o)
- public boolean contains(Object o) {
- return indexOf(o) >= 0;
- }
- //返回ArrayList是否为空
- public boolean isEmpty() {
- return size == 0;
- }
- // 正向查找,返回元素的索引值
- 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;
- }
- // 反向查找,返回元素的索引值
- public int lastIndexOf(Object o) {
- if (o == null) {
- for (int i = size-1; i >= 0; i--)
- if (elementData[i]==null)
- return i;
- } else {
- for (int i = size-1; i >= 0; i--)
- if (o.equals(elementData[i]))
- return i;
- }
- return -1;
- }
- // 反向查找(从数组末尾向开始查找),返回元素(o)的索引值
- public int lastIndexOf(Object o) {
- if (o == null) {
- for (int i = size-1; i >= 0; i--)
- if (elementData[i]==null)
- return i;
- } else {
- for (int i = size-1; i >= 0; i--)
- if (o.equals(elementData[i]))
- return i;
- }
- return -1;
- }
- // 返回ArrayList的Object数组
- public Object[] toArray() {
- return Arrays.copyOf(elementData, size);
- }
- // 返回ArrayList元素组成的数组
- public <T> T[] toArray(T[] a) {
- // 若数组a的大小 < ArrayList的元素个数;
- // 则新建一个T[]数组,数组大小是“ArrayList的元素个数”,并将“ArrayList”全部拷贝到新数组中
- if (a.length < size)
- return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass());
- // 若数组a的大小 >= ArrayList的元素个数;
- // 则将ArrayList的全部元素都拷贝到数组a中。
- System.arraycopy(elementData, 0, a, 0, size);
- if (a.length > size)
- a[size] = null;
- return a;
- }
- // 获取index位置的元素值
- public E get(int index) {
- RangeCheck(index);
- return (E) elementData[index];
- }
- // 设置index位置的值为element
- public E set(int index, E element) {
- RangeCheck(index);
- E oldValue = (E) elementData[index];
- elementData[index] = element;
- return oldValue;
- }
- // 将e添加到ArrayList中
- public boolean add(E e) {
- ensureCapacity(size + 1); // Increments modCount!!
- elementData[size++] = e;
- return true;
- }
- // 将e添加到ArrayList的指定位置
- public void add(int index, E element) {
- if (index > size || index < 0)
- throw new IndexOutOfBoundsException(
- "Index: "+index+", Size: "+size);
- ensureCapacity(size+1); // Increments modCount!!
- System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
- size - index);
- elementData[index] = element;
- size++;
- }
- // 删除ArrayList指定位置的元素
- public E remove(int index) {
- RangeCheck(index);
- modCount++;
- E oldValue = (E) elementData[index];
- int numMoved = size - index - 1;
- if (numMoved > 0)
- System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
- numMoved);
- elementData[--size] = null; // Let gc do its work
- return oldValue;
- }
- // 删除ArrayList的指定元素
- public boolean remove(Object o) {
- if (o == null) {
- for (int index = 0; index < size; index++)
- if (elementData[index] == null) {
- fastRemove(index);
- return true;
- }
- } else {
- for (int index = 0; index < size; index++)
- if (o.equals(elementData[index])) {
- fastRemove(index);
- return true;
- }
- }
- return false;
- }
- // 快速删除第index个元素
- private void fastRemove(int index) {
- modCount++;
- int numMoved = size - index - 1;
- // 从"index+1"开始,用后面的元素替换前面的元素。
- if (numMoved > 0)
- System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
- numMoved);
- // 将最后一个元素设为null
- elementData[--size] = null; // Let gc do its work
- }
- // 删除元素
- public boolean remove(Object o) {
- if (o == null) {
- for (int index = 0; index < size; index++)
- if (elementData[index] == null) {
- fastRemove(index);
- return true;
- }
- } else {
- // 便利ArrayList,找到“元素o”,则删除,并返回true。
- for (int index = 0; index < size; index++)
- if (o.equals(elementData[index])) {
- fastRemove(index);
- return true;
- }
- }
- return false;
- }
- // 清空ArrayList,将全部的元素设为null
- public void clear() {
- modCount++;
- for (int i = 0; i < size; i++)
- elementData[i] = null;
- size = 0;
- }
- // 将集合c追加到ArrayList中
- public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
- Object[] a = c.toArray();
- int numNew = a.length;
- ensureCapacity(size + numNew); // Increments modCount
- System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
- size += numNew;
- return numNew != 0;
- }
- // 从index位置开始,将集合c添加到ArrayList
- public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
- if (index > size || index < 0)
- throw new IndexOutOfBoundsException(
- "Index: " + index + ", Size: " + size);
- Object[] a = c.toArray();
- int numNew = a.length;
- ensureCapacity(size + numNew); // Increments modCount
- int numMoved = size - index;
- if (numMoved > 0)
- System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew,
- numMoved);
- System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);
- size += numNew;
- return numNew != 0;
- }
- // 删除fromIndex到toIndex之间的全部元素。
- protected void removeRange(int fromIndex, int toIndex) {
- modCount++;
- int numMoved = size - toIndex;
- System.arraycopy(elementData, toIndex, elementData, fromIndex,
- numMoved);
- // Let gc do its work
- int newSize = size - (toIndex-fromIndex);
- while (size != newSize)
- elementData[--size] = null;
- }
- private void RangeCheck(int index) {
- if (index >= size)
- throw new IndexOutOfBoundsException(
- "Index: "+index+", Size: "+size);
- }
- // 克隆函数
- public Object clone() {
- try {
- ArrayList<E> v = (ArrayList<E>) super.clone();
- // 将当前ArrayList的全部元素拷贝到v中
- 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();
- }
- }
- // java.io.Serializable的写入函数
- // 将ArrayList的“容量,所有的元素值”都写入到输出流中
- private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
- throws java.io.IOException{
- // Write out element count, and any hidden stuff
- int expectedModCount = modCount;
- s.defaultWriteObject();
- // 写入“数组的容量”
- s.writeInt(elementData.length);
- // 写入“数组的每一个元素”
- for (int i=0; i<size; i++)
- s.writeObject(elementData[i]);
- if (modCount != expectedModCount) {
- throw new ConcurrentModificationException();
- }
- }
- // java.io.Serializable的读取函数:根据写入方式读出
- // 先将ArrayList的“容量”读出,然后将“所有的元素值”读出
- private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
- throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
- // Read in size, and any hidden stuff
- s.defaultReadObject();
- // 从输入流中读取ArrayList的“容量”
- int arrayLength = s.readInt();
- Object[] a = elementData = new Object[arrayLength];
- // 从输入流中将“所有的元素值”读出
- for (int i=0; i<size; i++)
- a[i] = s.readObject();
- }
- }
几点总结
关于ArrayList的源码,给出几点比较重要的总结:
1、注意其三个不同的构造方法。无参构造方法构造的ArrayList的容量默认为10,带有Collection参数的构造方法,将Collection转化为数组赋给ArrayList的实现数组elementData。
2、注意扩充容量的方法ensureCapacity。ArrayList在每次增加元素(可能是1个,也可能是一组)时,都要调用该方法来确保足够的容量。当容量不足以容纳当前的元素个数时,就设置新的容量为旧的容量的1.5倍加1,如果设置后的新容量还不够,则直接新容量设置为传入的参数(也就是所需的容量),而后用Arrays.copyof()方法将元素拷贝到新的数组(详见下面的第3点)。从中可以看出,当容量不够时,每次增加元素,都要将原来的元素拷贝到一个新的数组中,非常之耗时,也因此建议在事先能确定元素数量的情况下,才使用ArrayList,否则建议使用LinkedList。
3、ArrayList的实现中大量地调用了Arrays.copyof()和System.arraycopy()方法。我们有必要对这两个方法的实现做下深入的了解。
首先来看Arrays.copyof()方法。它有很多个重载的方法,但实现思路都是一样的,我们来看泛型版本的源码:
- public static <T> T[] copyOf(T[] original, int newLength) {
- return (T[]) copyOf(original, newLength, original.getClass());
- }
很明显调用了另一个copyof方法,该方法有三个参数,最后一个参数指明要转换的数据的类型,其源码如下:
- public static <T,U> T[] copyOf(U[] original, int newLength, Class<? extends T[]> newType) {
- T[] copy = ((Object)newType == (Object)Object[].class)
- ? (T[]) new Object[newLength]
- : (T[]) Array.newInstance(newType.getComponentType(), newLength);
- System.arraycopy(original, 0, copy, 0,
- Math.min(original.length, newLength));
- return copy;
- }
这里可以很明显地看出,该方法实际上是在其内部又创建了一个长度为newlength的数组,调用System.arraycopy()方法,将原来数组中的元素复制到了新的数组中。
下面来看System.arraycopy()方法。该方法被标记了native,调用了系统的C/C++代码,在JDK中是看不到的,但在openJDK中可以看到其源码。该函数实际上最终调用了C语言的memmove()函数,因此它可以保证同一个数组内元素的正确复制和移动,比一般的复制方法的实现效率要高很多,很适合用来批量处理数组。Java强烈推荐在复制大量数组元素时用该方法,以取得更高的效率。
4、注意ArrayList的两个转化为静态数组的toArray方法。
第一个,Object[] toArray()方法。该方法有可能会抛出java.lang.ClassCastException异常,如果直接用向下转型的方法,将整个ArrayList集合转变为指定类型的Array数组,便会抛出该异常,而如果转化为Array数组时不向下转型,而是将每个元素向下转型,则不会抛出该异常,显然对数组中的元素一个个进行向下转型,效率不高,且不太方便。
第二个,<T> T[] toArray(T[] a)方法。该方法可以直接将ArrayList转换得到的Array进行整体向下转型(转型其实是在该方法的源码中实现的),且从该方法的源码中可以看出,参数a的大小不足时,内部会调用Arrays.copyOf方法,该方法内部创建一个新的数组返回,因此对该方法的常用形式如下:
- public static Integer[] vectorToArray2(ArrayList<Integer> v) {
- Integer[] newText = (Integer[])v.toArray(new Integer[0]);
- return newText;
- }
5、ArrayList基于数组实现,可以通过下标索引直接查找到指定位置的元素,因此查找效率高,但每次插入或删除元素,就要大量地移动元素,插入删除元素的效率低。
6、在查找给定元素索引值等的方法中,源码都将该元素的值分为null和不为null两种情况处理,ArrayList中允许元素为null。
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