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java源码学习(四)ArrayList

ArrayList

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。

? 以下分析的是JDK1.8ArrayList源码,跟JDK1.7的区别还是蛮大的。

一、定义

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
  • ArrayList\可以看出它是支持泛型的,它继承自AbstractList,实现了ListRandomAccessCloneableJava.io.Serializable接口
  • AbstractList提供了List接口的默认实现(个别方法为抽象方法)
  • List接口定义了列表必须实现的方法
  • RandomAccess是一个标记接口,接口内没有定义任何内容,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接口的类,可以调用Object.clone方法返回该对象的浅拷贝
  • 通过实现 java.io.Serializable 接口以启用其序列化功能。未实现此接口的类将无法使其任何状态序列化或反序列化。序列化接口没有方法或字段,仅用于标识可序列化的语义

二、属性

    /**
     * Default initial capacity.
     */
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

    /**
     * Shared empty array instance used for empty instances.
     */
    private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = http://www.mamicode.com/{};>
  • ArrayList提供了2个私有属性,elementDatasize;很容易理解,elementData存储ArrayList内的元素,size表示它包含的元素的数量(实际数量而非容量)
  • transient关键字的作用:在采用Java默认的序列化机制的时候,被该关键字修饰的属性不会被序列化。

三、构造方法

ArrayList提供了三个构造方法:

    // 带容量参数的构造方法
    public ArrayList(int initialCapacity) {
        if (initialCapacity > 0) {
            this.elementData = http://www.mamicode.com/new Object[initialCapacity];"Illegal Capacity: "+
                                               initialCapacity);
        }
    }

    // 默认无参构造方法,创建一个容量为10的数组
    public ArrayList() {
        this.elementData = http://www.mamicode.com/DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;>

? 第一个构造方法使用initialCapacity来初始化elementData数组的大小;

? 第二个构造方法创建一个空的容量为10的elementData数组;

? 第三个构造方法将提供的集合转成数组并给elementData(返回若不是Object[],则转换为Object[]);

四、方法详细介绍

1. 元素存储

关于ArrayList元素的存储,提供了5个方法:

public E set(int index, E element)
public boolean add(E e)
public void add(int index, E element)
public boolean addAll(Collection<? extends E> c)
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c)

set方法,替换元素

    // 用指定的元素替代此列表中指定位置上的元素,并返回以前位于该位置上的元素
    public E set(int index, E element) {
        rangeCheck(index);

        E oldValue = http://www.mamicode.com/elementData(index);"Index: "+index+", Size: "+size;
    }

add(E e)方法,尾部添加元素

    // 添加元素到列表的尾部,并返回true
    public boolean add(E e) {
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!(这注释还两感叹号)
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }

    private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        // 若是默认容量为10,则minCapacity取minCapacity和DEFAULT_CAPACITY最大值
        if (elementData =http://www.mamicode.com/= DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {>

add(int index, E element)方法,指定位置添加元素

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

        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        // index后面的元素往后下标+1并复制到elementData
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                         size - index);
        // 参数element赋值给指定位置的elementData
        elementData[index] = element;
        // 数组实际长度+1
        size++;
    }

    // 校验索引下标范围(不能大于数组实际大小以及小于0,是就抛出异常)
    // 方法用于 add 和 addAll
    private void rangeCheckForAdd(int index) {
        if (index > size || index < 0)
            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
    }

public static native void arraycopy(Object src, int srcPos, Object dest, int destPos, int length);

  • 此方法是System类提供的native方法,用于copy数组所用

  • src:源数组; srcPos:源数组要复制的起始位置; dest:目的数组; destPos:目的数组放置的起始位置; length:复制的长度

  • 此方法的功能就是把destdestPosdestPos+length的元素用src数组的srcPos位置开始替换

  • arraycopy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。

?

```JAVA
public class ArrayCopyTest {

public static void main(String[] args) {
    char[] c1 = new String("123456").toCharArray();
    char[] c2 = new String("abcdef").toCharArray();
    System.arraycopy(c1,2 , c2, 1, 2);
    for(char c : c1){
        System.out.print(c);
    }
    System.out.println();
    for(char c : c2){
        System.out.print(c);
    }
}

}
```

结果为:

123456

a34def

addAll(Collection<? extends E> c)方法,尾部按顺序添加所有集合元素

    // c为null 会抛出NullPointerException
    public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
        Object[] a = c.toArray();
        int numNew = a.length;
        // 扩容
        ensureCapacityInternal(size + numNew);  // Increments modCount
        System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);// 数组copy
        size += numNew;// elementData实际大小size增加
        return numNew != 0;// 返回是否有新元素添加
    }

addAll(int index, Collection<? extends E> c)方法,指定位置按顺序添加所有集合元素

    // c为null 会抛出NullPointerException
    public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
        rangeCheckForAdd(index);// 校验索引下标范围

        Object[] a = c.toArray();
        int numNew = a.length;
        // 扩容
        ensureCapacityInternal(size + numNew);  // Increments modCount

        int numMoved = size - index;
        // elementData数组index后面的元素移动到elementData的末端
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew,
                             numMoved);
        // 添加的集合c中的所有元素index到index+numNewcopy进来
        System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);
        size += numNew;// elementData实际大小size增加
        return numNew != 0;// 返回是否有新元素添加
    }

2. 元素读取

    // 返回数组index所在的元素
    public E get(int index) {
        rangeCheck(index);// 校验index是否越界

        return elementData(index);
    }
    // 检验index是否在范围内,不校验index为负数的情况,index为负数由数组校验
    private void rangeCheck(int index) {
        if (index >= size)
            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
    }
    
    // 返回指定位置上的元素
    E elementData(int index) {
        return (E) elementData[index];
    }

3. 元素删除

关于ArrayList元素的删除,提供了4个方法:

public E remove(int index)
public boolean remove(Object o)
public void clear() 
public boolean removeAll(Collection<?> c)
public boolean retainAll(Collection<?> c)

remove(int index)方法,删除指定位置的元素

    public E remove(int index) {
        rangeCheck(index);// 校验index向上是否越界,越界则抛出异常

        modCount++;// 扩容的时候++,删除也++,记录操作次数
        E oldValue = http://www.mamicode.com/elementData(index);// 获取指定位置的元素>

remove(Object o)方法,删除数组中第一个为o的元素

    public boolean remove(Object o) {
        // 遍历数组,删除第一个为null的元素并返回
        if (o == null) {
            for (int index = 0; index < size; index++)
                if (elementData[index] == null) {
                    fastRemove(index);
                    return true;
                }
        } else {
            // 遍历数组,删除第一个为o的元素(用equals判断)并返回
            for (int index = 0; index < size; index++)
                if (o.equals(elementData[index])) {
                    fastRemove(index);
                    return true;
                }
        }
        // 遍历结束还没有找到o,则返回false,elementData中元素没做任何变动
        return false;
    }
    
    // 私有方法,快速删除index所在的元素,跟上面的remove方法大致逻辑一下,不返回已删除元素
    private void fastRemove(int index) {
        modCount++;
        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
    }

clear()方法,删除列表中所有的元素

    public void clear() {
        modCount++;// 记录操作次数

        // 遍历列表,每个元素都置为null,GC进行回收
        for (int i = 0; i < size; i++)
            elementData[i] = null;
        // 列表size置为0
        size = 0;
    }

removeAll方法,删除传入参数集合中的所有元素

    public boolean removeAll(Collection<?> c) {
        Objects.requireNonNull(c);// 判断c是否为null,null抛出NullPointerException
        // 删除集合中所有元素,这些元素也在c中,取elementData和c的差集即 elementData - c
        return batchRemove(c, false);
    }

    private boolean batchRemove(Collection<?> c, boolean complement) {
        // 新建一个不可变引用,指向List的 elementData数组
        final Object[] elementData = http://www.mamicode.com/this.elementData;>

retainAll方法,删除非传入参数集合中的所有元素

    public boolean retainAll(Collection<?> c) {
        Objects.requireNonNull(c);// 判断c是否为null,null抛出NullPointerException
        return batchRemove(c, true);
    }

4. 序列化与反序列化

? ArrayList的序列化重写了writeObject和readObject方法;

? transient不被序列化

writeObject

    private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
        throws java.io.IOException{
        // Write out element count, and any hidden stuff
        int expectedModCount = modCount;
        s.defaultWriteObject();// 调用默认的序列化方法

        // 写入数组实际长度
        s.writeInt(size);

        // 真正的序列化操作
        for (int i=0; i<size; i++) {
            s.writeObject(elementData[i]);
        }

        if (modCount != expectedModCount) {
            throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }

readObject

    private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
        throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
        elementData = http://www.mamicode.com/EMPTY_ELEMENTDATA;>

5. 获取元素索引值

indexOf

    // 返回列表中第一个与o相同的元素所在的索引;如果列表不包含o,则返回-1
    public int indexOf(Object o) {
        // o为null,返回列表中第一个为null元素的下标
        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;
    }

lastIndexOf

    // 返回列表中最后一个与o相同的元素所在的索引;如果列表不包含o,则返回-1
    public int lastIndexOf(Object o) {
        // 倒序遍历
        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;
    }

contains

    // 返回列表是否包含o元素,index = -1则返回false 
    public boolean contains(Object o) {
        return indexOf(o) >= 0;
    }

6. ArrayList转化为数组

Object[] toArray()

    public Object[] toArray() {
        // 调用Arrays数组copy
        return Arrays.copyOf(elementData, size);
    }

\ 泛型转化

    public <T> T[] toArray(T[] a) {
        if (a.length < size)
            // Make a new array of a‘s runtime type, but my contents:
            return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass());
        System.arraycopy(elementData, 0, a, 0, size);
        if (a.length > size)
            a[size] = null;
        return a;
    }

7. 其他方法

    // elementData扩容后会有多余的容量未使用;把elementData的容量减少到size(实际容量)
    public void trimToSize() {
        modCount++;
        if (size < elementData.length) {
            elementData = http://www.mamicode.com/(size == 0)"Index: "+index);
        return new ListItr(index);
    }

    // 返回一个列表迭代器,FastFail机制
    public ListIterator<E> listIterator() {
        return new ListItr(0);
    }

    // 返回一个迭代器,FastFail机制
    public Iterator<E> iterator() {
        return new Itr();
    }
    
    // 截取列表
    public List<E> subList(int fromIndex, int toIndex) {
        subListRangeCheck(fromIndex, toIndex, size);
        return new SubList(this, 0, fromIndex, toIndex);
    }

    @Override
    public void forEach(Consumer<? super E> action) {
        Objects.requireNonNull(action);
        final int expectedModCount = modCount;
        @SuppressWarnings("unchecked")
        final E[] elementData = http://www.mamicode.com/(E[]) this.elementData;"Spliterator.html#binding">late-binding</a></em>
     * and <em>fail-fast</em> {@link Spliterator} over the elements in this
     * list.
     *
     * <p>The {@code Spliterator} reports {@link Spliterator#SIZED},
     * {@link Spliterator#SUBSIZED}, and {@link Spliterator#ORDERED}.
     * Overriding implementations should document the reporting of additional
     * characteristic values.
     *
     * @return a {@code Spliterator} over the elements in this list
     * @since 1.8
     */
    @Override
    public Spliterator<E> spliterator() {
        return new ArrayListSpliterator<>(this, 0, -1, 0);
    }

    @Override
    public boolean removeIf(Predicate<? super E> filter) {
        Objects.requireNonNull(filter);
        // figure out which elements are to be removed
        // any exception thrown from the filter predicate at this stage
        // will leave the collection unmodified
        int removeCount = 0;
        final BitSet removeSet = new BitSet(size);
        final int expectedModCount = modCount;
        final int size = this.size;
        for (int i=0; modCount == expectedModCount && i < size; i++) {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            final E element = (E) elementData[i];
            if (filter.test(element)) {
                removeSet.set(i);
                removeCount++;
            }
        }
        if (modCount != expectedModCount) {
            throw new ConcurrentModificationException();
        }

        // shift surviving elements left over the spaces left by removed elements
        final boolean anyToRemove = removeCount > 0;
        if (anyToRemove) {
            final int newSize = size - removeCount;
            for (int i=0, j=0; (i < size) && (j < newSize); i++, j++) {
                i = removeSet.nextClearBit(i);
                elementData[j] = elementData[i];
            }
            for (int k=newSize; k < size; k++) {
                elementData[k] = null;  // Let gc do its work
            }
            this.size = newSize;
            if (modCount != expectedModCount) {
                throw new ConcurrentModificationException();
            }
            modCount++;
        }

        return anyToRemove;
    }

    @Override
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public void replaceAll(UnaryOperator<E> operator) {
        Objects.requireNonNull(operator);
        final int expectedModCount = modCount;
        final int size = this.size;
        for (int i=0; modCount == expectedModCount && i < size; i++) {
            elementData[i] = operator.apply((E) elementData[i]);
        }
        if (modCount != expectedModCount) {
            throw new ConcurrentModificationException();
        }
        modCount++;
    }
    
    // 列表排序
    @Override
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public void sort(Comparator<? super E> c) {
        final int expectedModCount = modCount;
        Arrays.sort((E[]) elementData, 0, size, c);
        if (modCount != expectedModCount) {
            throw new ConcurrentModificationException();
        }
        modCount++;
    }

五、参考资料

http://blog.csdn.net/jzhf2012/article/details/8540410

http://www.cnblogs.com/xujian2014/p/4625346.html

http://blog.csdn.net/u014082714/article/details/52253331

http://www.cnblogs.com/java-zhao/p/5102342.html

java源码学习(四)ArrayList