ArrayList 简介
ArrayList 的底层是数组，相当于动态数组。与 Java 中的数组相比，它的容量能动态增长。在添加大量元素前，应用程序可以使用 ensureCapacity 操作来增加 ArrayList实例的容量。这可以减少递增式再分配的数量。
ArrayList 继承于 AbstractList ，实现了 List , RandomAccess , Cloneable , java.io.Serializable 这些接口。
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable{ }
1.RandomAccess 是一个标志接口，表明实现这个这个接口的 List 集合是支持快速随机 访问的。在 ArrayList 中，我们即可以通过元素的序号快速获取元素对象，这就是快速随机访问。
2.ArrayList 实现了 Cloneable 接口 ，即覆盖了函数 clone() ，能被克隆。
3.ArrayList 实现了 java.io.Serializable 接口，这意味着 ArrayList 支持序列化，能通过序列化去传输。
一、Arraylist 和 Vector 的区别?
-
ArrayList 是 List 的主要实现类，底层使用 Object[ ] 存储，适用于频繁的查找工作，线程不安全 ； -
Vector 是 List 的古老实现类，底层使用 Object[ ] 存储，线程安全的。
二、Arraylist 与 LinkedList 区别?
- 是否保证线程安全： ArrayList 和 LinkedList 都是不同步的，也就是不保证线程安全；
- 底层数据结构： Arraylist 底层使用的是 Object 数组； LinkedList 底层使用的是 双向链表 数据结构（JDK1.6 之前为循环链表，JDK1.7 取消了循环。注意双向链表和双向循环链表的区别，下面有介绍到！）
- 插入和删除是否受元素位置的影响： ① ArrayList 采用数组存储，所以插入和删 除元素的时间复杂度受元素位置的影响。 比如：执行 add(E e) 方法的时候，ArrayList 会默认在将指定的元素追加到此列表的末尾，这种情况时间复杂度就是O(1)。但是如果要在指定位置 i 插入和删除元素的话（ add(int index, E element) ）时间复杂度就为 O(n-i)。因为在进行上述操作的时候集合中第 i 和第 i 个元素之后的(n-i)个元素都要执行向后位/向前移一位的操作。 ② LinkedList 采用链 表存储，所以对于 add(E e) 方法的插入，删除元素时间复杂度不受元素位置的影 响，近似 O(1)，如果是要在指定位置 i 插入和删除元素的话（ (add(int index, E element) ） 时间复杂度近似为 o(n)) 因为需要先移动到指定位置再插入。
- 是否支持快速随机访问： LinkedList 不支持高效的随机元素访问，而 ArrayList支持。快速随机访问就是通过元素的序号快速获取元素对象(对应于 get(int index)方法)。
- 内存空间占用： ArrayList 的空 间浪费主要体现在在 list 列表的结尾会预留一定的容量空间，而LinkedList 的空间花费则体现在它的每一个元素都需要消耗比ArrayList 更多的空间（因为要存放直接后继和直接前驱以及数据) 。
三、ArrayList 核心源码解读
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
transient Object[] elementData;
private int size;
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);
}
}
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
elementData = c.toArray();
if ((size = elementData.length) != 0) {
if (elementData.getClass() != Object[].class)
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
} else {
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}
public void trimToSize() {
modCount++;
if (size < elementData.length) {
elementData = (size == 0)
? EMPTY_ELEMENTDATA
: Arrays.copyOf(elementData, size);
}
}
public void ensureCapacity(int minCapacity) {
int minExpand = (elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)
? 0
: DEFAULT_CAPACITY;
if (minCapacity > minExpand) {
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
}
private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
return minCapacity;
}
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
modCount++;
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
private void grow(int minCapacity) {
int oldCapacity = elementData.length;
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
if (minCapacity < 0)
throw new OutOfMemoryError();
return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
Integer.MAX_VALUE :
MAX_ARRAY_SIZE;
}
public int size() {
return size;
}
public boolean isEmpty() {
return size == 0;
}
public boolean contains(Object o) {
return indexOf(o) >= 0;
}
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;
}
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;
}
public Object clone() {
try {
ArrayList<?> v = (ArrayList<?>) super.clone();
v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);
v.modCount = 0;
return v;
} catch (CloneNotSupportedException e) {
throw new InternalError(e);
}
}
public Object[] toArray() {
return Arrays.copyOf(elementData, size);
}
@SuppressWarnings("unchecked")
public <T> T[] toArray(T[] a) {
if (a.length < size)
return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass());
System.arraycopy(elementData, 0, a, 0, size);
if (a.length > size)
a[size] = null;
return a;
}
@SuppressWarnings("unchecked")
E elementData(int index) {
return (E) elementData[index];
}
public E get(int index) {
rangeCheck(index);
return elementData(index);
}
public E set(int index, E element) {
rangeCheck(index);
E oldValue = elementData(index);
elementData[index] = element;
return oldValue;
}
public boolean add(E e) {
ensureCapacityInternal(size + 1);
elementData[size++] = e;
return true;
}
public void add(int index, E element) {
rangeCheckForAdd(index);
ensureCapacityInternal(size + 1);
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
size - index);
elementData[index] = element;
size++;
}
public E remove(int index) {
rangeCheck(index);
modCount++;
E oldValue = elementData(index);
int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
numMoved);
elementData[--size] = null;
return oldValue;
}
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;
}
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;
}
public void clear() {
modCount++;
for (int i = 0; i < size; i++)
elementData[i] = null;
size = 0;
}
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
Object[] a = c.toArray();
int numNew = a.length;
ensureCapacityInternal(size + numNew);
System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
size += numNew;
return numNew != 0;
}
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
rangeCheckForAdd(index);
Object[] a = c.toArray();
int numNew = a.length;
ensureCapacityInternal(size + numNew);
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;
}
protected void removeRange(int fromIndex, int toIndex) {
modCount++;
int numMoved = size - toIndex;
System.arraycopy(elementData, toIndex, elementData, fromIndex,
numMoved);
int newSize = size - (toIndex-fromIndex);
for (int i = newSize; i < size; i++) {
elementData[i] = null;
}
size = newSize;
}
private void rangeCheck(int index) {
if (index >= size)
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
private void rangeCheckForAdd(int index) {
if (index > size || index < 0)
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
private String outOfBoundsMsg(int index) {
return "Index: "+index+", Size: "+size;
}
public boolean removeAll(Collection<?> c) {
Objects.requireNonNull(c);
return batchRemove(c, false);
}
public boolean retainAll(Collection<?> c) {
Objects.requireNonNull(c);
return batchRemove(c, true);
}
private boolean batchRemove(Collection<?> c, boolean complement) {
final Object[] elementData = this.elementData;
int r = 0, w = 0;
boolean modified = false;
try {
for (; r < size; r++)
if (c.contains(elementData[r]) == complement)
elementData[w++] = elementData[r];
} finally {
if (r != size) {
System.arraycopy(elementData, r,
elementData, w,
size - r);
w += size - r;
}
if (w != size) {
for (int i = w; i < size; i++)
elementData[i] = null;
modCount += size - w;
size = w;
modified = true;
}
}
return modified;
}
private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
throws java.io.IOException{
int expectedModCount = modCount;
s.defaultWriteObject();
s.writeInt(size);
for (int i=0; i<size; i++) {
s.writeObject(elementData[i]);
}
if (modCount != expectedModCount) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
s.defaultReadObject();
s.readInt();
if (size > 0) {
int capacity = calculateCapacity(elementData, size);
SharedSecrets.getJavaOISAccess().checkArray(s, Object[].class, capacity);
ensureCapacityInternal(size);
Object[] a = elementData;
for (int i=0; i<size; i++) {
a[i] = s.readObject();
}
}
}
四、ArrayList 扩容机制分析
1. 先从 ArrayList 的构造函数说起
（JDK8）ArrayList 有三种方式来初始化，构造方法源码如下:
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
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);
}
}
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
elementData = c.toArray();
if ((size = elementData.length) != 0) {
if (elementData.getClass() != Object[].class)
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
} else {
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}
}
细心的同学一定会发现 ：以无参数构造方法创建 ArrayList 时，实际上初始化赋值的是 一个空数组。当真正对数组进行添加元素操作时，才真正分配容量。即向数组中添加 第一个元素时，数组容量扩为 10。 下面在我们分析 ArrayList 扩容时会讲到这一点内容！
补充：JDK7 new无参构造的ArrayList对象时，直接创建了长度是10的Object[]数组elementData 。jdk7中的ArrayList的对象的创建类似于单例的饿汉式，而jdk8中的ArrayList的对象的创建类似于单例的懒汉式。JDK8的内存优化也值得我们在平时开发中学习。
2. 一步一步分析 ArrayList 扩容机制
这里以无参构造函数创建的 ArrayList 为例分析，先来看 add 方法
public boolean add(E e) {
ensureCapacityInternal(size + 1);
elementData[size++] = e;
return true;
}
注意 ：JDK11 移除了 ensureCapacityInternal() 和 ensureExplicitCapacity() 方 法
3. 再来看看 ensureCapacityInternal() 方法
（JDK7）可以看到 add 方法 首先调用了 ensureCapacityInternal(size + 1)
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
当 要 add 进第 1 个元素时，minCapacity 为 1，在 Math.max()方法比较后，minCapacity 为 10。此处和后续 JDK8 代码格式化略有不同，核心代码基本一样。
4. ensureExplicitCapacity() 方法
如果调用 ensureCapacityInternal() 方法就一定会进入（执行）这个方法，下面我们来研究一下这个方法的源码！
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
modCount++;
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}
我们来仔细分析一下：
1.当我们要 add 进第 1 个元素到 ArrayList 时，elementData.length 为 0 （因为还是一个空的 list），因为执行了 ensureCapacityInternal() 方法 ，所以 minCapacity此时为 10。此时， minCapacity - elementData.length > 0 成立，所以会进入grow(minCapacity) 方法。
2.当 add 第 2 个元素时，minCapacity 为 2，此时 e lementData.length(容量)在添加第一个元素后扩容成 10 了。此时， minCapacity - elementData.length > 0 不成立，所以不会进入 grow(minCapacity) 方法。
添加第 3、4···到第 10 个元素时，依然不会执行 grow 方法，数组容量都为 10。直到添加第 11 个元素，minCapacity(为 11)比 elementData.length（为 10）要大。进入grow 方法进行扩容。
5. grow() 方法
private void grow(int minCapacity) {
int oldCapacity = elementData.length;
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1),所以 ArrayList 每次扩容之后容量 都会变为原来的 1.5 倍左右（oldCapacity 为偶数就是 1.5 倍，否则是 1.5 倍左右）！ 奇偶不同，比如 ：10+10/2 = 15, 33+33/2=49。如果是奇数的话会丢掉小数.
">>"（移位运算符）：>>1 右移一位相当于除 2，右移 n 位相当于除以 2 的 n 次方。这里 oldCapacity 明显右移了 1 位所以相当于 oldCapacity /2。对于大数据的 2进制运算,位移运算符比那些普通运算符的运算要快很多,因为程序仅仅移动一下而已,不去计算,这样提高了效率,节省了资源
我们再来通过例子探究一下 grow() 方法 ：
当 add 第 1 个元素时，oldCapacity 为 0，经比较后第一个 if 判断成立，newCapacity = minCapacity(为 10)。但是第二个 if 判断不会成立，即 newCapacity不比 MAX_ARRAY_SIZE 大，则不会进入hugeCapacity 方法。数组容量为 10，add方法中 return true,size 增为 1。 当 add 第 11 个元素进入 grow 方法时，newCapacity 为 15，比 minCapacity（为11）大，第一个 if 判断不成立。新容量没有大于数组最大 size，不会进入hugeCapacity 方法。数组容量扩为 15，add 方法中 return true,size 增为 11。以此类推······
这里补充一点比较重要，但是容易被忽视掉的知识点：
java 中的 length 属性是针对数组说的,比如说你声明了一个数组,想知道这个数组的长度则用到了 length 这个属性.java 中的 length() 方法是针对字符串说的,如果想看这个字符串的长度则用到length() 这个方法.
java 中的 size() 方法是针对泛型集合说的,如果想看这个泛型有多少个元素,就调用此方法来查看!
6. hugeCapacity() 方法。
从上面 grow() 方法源码我们知道： 如果新容量大于 MAX_ARRAY_SIZE,进入(执行) hugeCapacity() 方法来比较 minCapacity 和 MAX_ARRAY_SIZE，如果 minCapacity 大于
最大容量，则新容量则为 Integer.MAX_VALUE ，否则，新容量大小则为
MAX_ARRAY_SIZE 即为 Integer.MAX_VALUE - 8 。
private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
if (minCapacity < 0)
throw new OutOfMemoryError();
return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
Integer.MAX_VALUE :
MAX_ARRAY_SIZE;
}
7. ensureCapacity 方法
ArrayList 源码中有一个 ensureCapacity 方法不知道大家注意到没有，这个方法ArrayList 内部没有被调用过，所以很显然是提供给用户调用的，那么这个方法有什么作用呢？
public void ensureCapacity(int minCapacity) {
int minExpand = (elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)
? 0
: DEFAULT_CAPACITY;
if (minCapacity > minExpand) {
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
}
最好在 add 大量元素之前用 ensureCapacity 方法，以减少增量重新分配的次数我们通过下面的代码实际测试以下这个方法的效果：
public class He {
public static void main(String[] args) {
List<Integer> list =new ArrayList<>();
int n = 10000000;
long startTime = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < n; i++) {
list.add(i);
}
long endTime = System.currentTimeMillis();
System.out.println("使用ensureCapacity方法前:"+(endTime - startTime));
}
}
运行结果：
使用ensureCapacity方法前:4092
Process finished with exit code 0
public class He {
public static void main(String[] args) {
ArrayList<Object> list = new ArrayList<Object>();
final int N = 10000000;
list = new ArrayList<Object>();
long startTime1 = System.currentTimeMillis();
list.ensureCapacity(N);
for (int i = 0; i < N; i++) {
list.add(i);
}
long endTime1 = System.currentTimeMillis();
System.out.println("使用ensureCapacity方法后："+(endTime1 - startTime1));
}
}
运行结果：
使用ensureCapacity方法后：1773
Process finished with exit code 0
通过运行结果，我们可以看出向 ArrayList 添加大量元素之前最好先使用 ensureCapacity方法，以减少增量重新分配的次数。
|