Java源码科普系列之数据结构篇（1）：数组
数组定义
首先来看数组的定义：
数组是具有相同类型的数据组成的有序集合。
这里的“有序”指的是按顺序排列，占用连续的内存空间。记住两个关键词“相同数据类型”和“连续内存空间”就可以啦。打个比方，学校做广播体操的时候，每列队伍占用操场中连续的一块空间，而且前后间隔相等，这列队伍的同学合起来就构成了一个“数组”。
这个队伍可以怎样调整，对应于计算机世界，就可以怎样操作数组。比如可以在头部、中间或尾部插入一位同学，可以移出一位同学，可以替换队伍中某位同学，还可以呼叫第N位同学……这些动作，分别对应了计算机中对数组的插入、删除、替换和随机访问。
Java的ArrayList类中封装了对数组的常用操作，其父接口List定义了如下方法（只截取部分方法）：
public interface List<E> extends Collection<E> {
boolean add(E e);
void add(int index, E element);
E get(int index);
E set(int index, E element);
E remove(int index);
}
ArrayList::add
add(E e)方法对应的就是从尾部加入一位同学。
public boolean add(E e) {
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
elementData[size++] = e;
return true;
}
从代码中可以看出，这位同学要先确认后面还有没有位置可以站，没有的话就需要把障碍物移开争取更大的连续空间，也就是“扩容”，有位置了之后，就可以直接站进去了。
那么Java中数组最大可以多大呢？因为创建ArrayList时，如果指定大小，就会在构造方法中创建对应大小的数组，所以我们直接用ArrayList写个单元测试。
@Test
public void maxArraySize() {
for (int i = 2; i >= 0; i--) {
System.out.println("new ArrayList<Integer>(Integer.MAX_VALUE-" + i + ")");
try {
List<Integer> list = new ArrayList<>(Integer.MAX_VALUE - i);
} catch (Throwable t) {
t.printStackTrace();
}
}
}
运行后输出如下：
new ArrayList(Integer.MAX_VALUE-2)
java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
new ArrayList(Integer.MAX_VALUE-1)
java.lang.OutOfMemoryError: Requested array size exceeds VM limit
new ArrayList(Integer.MAX_VALUE-0)
java.lang.OutOfMemoryError: Requested array size exceeds VM limit
可以看出，大小为Integer.MAX_VALUE-1时，开始超过了JVM数组大小的限制，而Integer.MAX_VALUE-2报错是因为堆内存溢出。可以加入启动参数-Xms16G -Xmx16G把堆内存调为16G，这样运行就不溢出了，再次运行如下：
new ArrayList(Integer.MAX_VALUE-2)
new ArrayList(Integer.MAX_VALUE-1)
java.lang.OutOfMemoryError: Requested array size exceeds VM limit
new ArrayList(Integer.MAX_VALUE-0)
java.lang.OutOfMemoryError: Requested array size exceeds VM limit
这个时候，已经不报“java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space”异常了。
而add(int index, E element)方法则是从指定位置插入一位同学。
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++;
}
首先检查要插入的位置是不是存在的，比如队伍总共就30个人，却想从第31位同学的位置插入，肯定是不存在的。然后是检查地面位置够不够再插入。再接下来是一个数组拷贝操作，想象一下我们想从某位同学前面插进去，那么他会让后面的同学后退，一直传话到最后一位同学，这位同学后退一位之后，前面的同学跟上，这样就腾出了一个位置。也就是从指定位置开始的同学，全都往后移了一个位置。最后新同学就可以直接站进去了。
ArrayList::get
get(int index)方法相当于直接找第N位同学，只不过现实世界中我们N是从1开始，而计算机世界很多语言N从0开始。
public E get(int index) {
rangeCheck(index);
return elementData(index);
}
方法比较简单，先检查号数是在正常范围内的，然后根据号数定位出所站位置，从而找到这位同学。
ArrayList::set
set(int index, E element)方法相当于用一位新同学替换掉指定位置的同学。
public E set(int index, E element) {
rangeCheck(index);
E oldValue = elementData(index);
elementData[index] = element;
return oldValue;
}
和get类似，先检查号数是在正常范围内，然后被换掉的同学出列，新同学顶进去。
ArrayList::remove
remove(int index)方法相当于让指定位置的同学出队。
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; // clear to let GC do its work
return oldValue;
}
可以继续想象一下，中间某位同学出去之后，后面的同学都要往前挪一位补上空缺，所以删除时代码上也有个数组拷贝操作。
小结
这节讲了数组的概念和ArrayList源码对数组的封装和操作。用学生队伍的排列和调整来做比喻，可以方便地在脑海中演练。重点关注下中间插入时后面同学的后退过程，以及中间移除时后面同学的前进过程。这节介绍完啦，剩下的就靠想象力和动手能力加以巩固了。
