[数据结构与算法]Arraylist源码分析

一个大腹便便的身穿格子衫的秃头老，缓缓的想你走来，心想看到这头秃的，就几根了，怎么也得顶级架构师吧！但是咱也是看过源码的人，不虚他！那么我们就开始今天的ArrayList旅程把！

小伙子，今天我就来考考你ArryList，看看你到底是骡子是🐎！

好嘞，那今天就看我的表现吧！（尼玛，你才是骡子，老子是🐎）！

秃头老：ArrayList知道吧，工作中经常用的集合，你来简单的介绍一下

我：首先ArrayList底层是用Object[]数组来实现的，可以实现动态增长；其次通过看源码我们可以得知它继承了AbstractList，实现了List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable，其中List代表他是一个集合，RandomAccess是支持快速随机访问，Cloneable覆盖了clone方法，能被克隆，Serializable代表可以进行序列化传输。

秃头老：那你知道ArrayList和Vector的区别吗？（哎呦小伙子，还看过源码呀，来来接着靠你，不考到你不会，今天就不结束！）

我：ArrayList和Vector都是List的实现类，底层都是Object[]数组实现的，区别就是ArrrayList是线程不安全的，而Vector是线程安全的！

（这才哪跟哪，给我整点难的！）

秃头老：那你再说说ArrayList和LinkedList的区别！

我：（劳资给你分点说，让你看看有多细！）

1、从底层实现上来说，A（ArrayList）是通过Object[]存储的，L（LinkedList）是通过双向链表存储的（JDK1.6是循环链表，JDK1.7就变成了双向链表）

2、从线程安全性来说，A和L都是线程不安全的！

3、从快速随机访问来说，A是支持快速随机访问的，L不支持，相当于遍历数组

4、从插入删除是否受位置影响来说，A如果在末尾插入删除时间复杂度为O（1），如果在第i个位置插入删除，则需要移动元素，时间复杂度为O（n-i）,L在末尾插入和删除都是O（1），如果**指定位置的话是O（n）**需要先查找在插入删除！

5、从内存空间占用来说，A浪费主要在结尾都有一部分的预留空间，L主要是每个元素都比A占的空间大，因为需要直接前驱和直接后继！

秃头老：小伙子，看来确实是做过一些功课呀，那既然你看过源码，说说ArrayList的构造函数吧（老子要给挖坑了，准备给我跳进去！）

我：（TM的想问扩容机制，我早看透了！）

构造函数有两种，一种是无参构造，一种是有参构造。无参构造的话默认是赋值一个空对象，只有添加第一个元素的时候才会初始化容量为10的数组；有参构造有两个，一种是指定数组大小的，根据数组大小来初始化A，一种是传一个集合，把集合添加到数组中！

哝，来瞅瞅源码！

	private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {}; 
	/**
     * 无参构造，默认是空数组，当添加第一个元素，初始化容量为10的数组
     */
    public ArrayList() {
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }


	/**
     * 
     * 创建的时候指定集合大小
     * @param  initialCapacity  the initial capacity of the list
     * @throws IllegalArgumentException if the specified initial capacity
     *         is negative
     */
    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);
        }
    }

    /**
     * 把集合放到ArrayList中
     *
     * @param c the collection whose elements are to be placed into this list
     * @throws NullPointerException if the specified collection is null
     */
    public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
        // 把集合转换成数组
        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;
        }
    }

秃头老：既然你知道默认无参构造只有添加元素的时候才会初始化容量为10的数组，那它是什么实现的那？

我：（C）这个就说来话长了，那我们首先需要知道三大方法ensureCapacityInternal(int minCapacity)，ensureExplicitCapacity(int minCapacity)，grow(int minCapacity)，我们从add(E e)方法说起

public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

很简单，先调用了ensureCapacityInternal(size + 1)，当我们第一次添加元素的时候参数为size+1=1。

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}
// 计算数组所需最小容量
private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    return minCapacity;
}

通过上面不难看出，因为第一次添加元素的时候elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA为true，就会把DEFAULT_CAPACITY（10）和minCapacity（1）来比较，从而返回10，这就把数组大小定了。

// 判断数组是否需要扩容
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;

    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);
}

此时minCapcity为10，elementData.length为0（空list，第一次添加），符合条件则进行扩容，我们在想当第二次添加的时候minCapacity为2，所以不会进行扩容，知道添加第11个元素的时候才会扩容！

// 数组扩容
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

private void grow(int minCapacity) {
    // overflow-conscious code 老数组长度
    int oldCapacity = elementData.length;
    // 扩容1.5倍
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    // 扩容后的大小 小于 所需最小容量，则扩容大小为 所需最小容量
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    // 扩容后大小 大于 最大长度
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    // 数组扩容
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

通过grow我们看出每次扩容1.5倍，当第一次添加的时候，oldCapacity = 0，newCapacity = 0，newCapacity - minCapacity < 0（0 -10）成立，所以newCapacity为10。

补充：

// 最大扩容大小
private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
    if (minCapacity < 0) // overflow
        throw new OutOfMemoryError();
    return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
        Integer.MAX_VALUE :
    MAX_ARRAY_SIZE;
}

简单的来说，就是当添加第一个元素的时候，先调用ensureCapacityInternal判断是不是DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA，是的话则把minCapacity该为10，调用ensureExplicitCapacity来进行grow，如果第一次扩容则会把扩容大小为minCapacity（10）结束！

秃头老：还不错哦，小伙子，那你有没有发现源码中有引起你注意的方法？（小崽子有点东西哦！）

我：（MD，还问，扩容机制都给你讲的明明白白的了！）

确实有哦，源码中经常用到System.arraycopy() 和 Arrays.copyOf() 方法，这两个都是复制数组，区别就是后者会返回一个新的数组，前者复制到目标数组当中，我们看一下源码

// native 方法
// src:原数组 srcPos:原数组开始复制位置
// dest:目标数组 destPos:开始复制的位置
// length:复制的长度
public static native void arraycopy(Object src,  int  srcPos,
                                        Object dest, int destPos,
                                        int length);



public static <T,U> T[] copyOf(U[] original, int newLength, Class<? extends T[]> newType) {
    @SuppressWarnings("unchecked")
    T[] copy = ((Object)newType == (Object)Object[].class)
        ? (T[]) new Object[newLength]
        : (T[]) Array.newInstance(newType.getComponentType(), newLength);
    // 把原始数组的值从0开始，复制到copy数组当中，从0开始，长度为最小长度
    System.arraycopy(original, 0, copy, 0,
                     Math.min(original.length, newLength));
    return copy;// 返回一个新的数组
}

我们再来看看使用场景（指定位置添加元素）：

public void add(int index, E element) {
    // 判断是否越界
    rangeCheckForAdd(index);
	
    // 是否需要扩容
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    // 移动数组位置
    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                     size - index);
    // 指定位置赋值
    elementData[index] = element;
    
   	// 数组大小+1
    size++;
}

秃头老：（这小伙子肚子还是有点东西的！）那你有没有发现ensureCapacity()这个方法没有被内部调用，知道这个方法有什么用嘛？

我：（老东西，还TMD的问，没玩了，你给我等着哦！）

发现了哦，这个方法主要是为了当有大量数据插入的时候，先调用这个方法进行扩容，因为大量数据插入会递增式的调用扩容，这个是事先给我们扩容一个比较适合的大小，节省了大量时间！

// 根据最小扩容，来判断是否需要扩容
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);
    }
}

举例说明：

ArrayList<Object> arrayList = new ArrayList<>();
final int N = 1000000;
long startTime = System.currentTimeMillis();

for (int i = 0; i < N; i++) {
    arrayList.add(i);
}

long endTime = System.currentTimeMillis();
System.out.println("不使用EnsureCapacity的时间：" + (endTime - startTime));// 3015



ArrayList<Object> arrayList = new ArrayList<>();
final int N = 10000000;
long startTime = System.currentTimeMillis();
arrayList.ensureCapacity(N);
for (int i = 0; i < N; i++) {
    arrayList.add(i);
}

long endTime = System.currentTimeMillis();
System.out.println("使用EnsureCapacity的时间：" + (endTime - startTime));// 2690

参考文章：Guide哥的Java学习