数据结构 - ArrayList

ArrayList是一个动态数组。ArrayList几乎拥有数组所有优点，例如元素有序，索引访问等；并且一般情况下它还不会越界，添加元素时它能动态扩容。平时工作中ArrayList被我们广泛应用，本章详细介绍ArrayList原代码。

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable,java.io.Serializable

ArrayList实现List接口，继承AbstractList抽象类，另外实现RandomAccess (支持随机访问)、Cloneable(支持拷贝) 两个特殊接口

属性

// 默认容量大小
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
// 空数组
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
// 空数组。（用两个的目的是为了知道添加第一个元素时需要创建多大的空间）
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA={};
// 真正存储ArrayList中的元素的数组
transient Object[] elementData;
// 存储ArrayList的大小，注意不是elementData的长度
private int size;
// 数组的最大长度
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
// 修改次数, 每次add、remove它的值都会加1（这个属性是AbstractList中的）
protected transient int modCount = 0;

构造函数

// 无参构造函数
public ArrayList() {
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

使用无参构造函数初始化时并不会设置元素数组长度

// 带初始长度参数的构造函数
public ArrayList(int initialCapacity) {
    if (initialCapacity > 0) {
        // 初始长度参数大于0，用此长度初始化创建元素数组
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
    } else if (initialCapacity == 0) {
        // 初始长度参数为0，使用空数组
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    } else {
        // 小于0抛异常
        throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                initialCapacity);
    }
}

初始化时指定长度，长度小于0抛异常，等于0时一样用空数组，大于0时才会创建

// 参数为集合
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
    // 参数转数组，并赋值给当前集合数组
    elementData = c.toArray();
    // 设置元素个数
    if ((size = elementData.length) != 0) {
        // 不是Object数组就转为Object数组
        if (elementData.getClass() != Object[].class)
            elementData = Arrays.copyOf(elementData,
                    size, Object[].class);
    } else {
        // 参数中也没有元素时，用空数组替换
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
}

使用集合初始化时，是把参数转数组，然后赋值给元素数组。至于转Object数组操作，只是为了解决前面版本的bug

基础方法

// 获取元素个数
public int size() {
    return size;
}
// 判空
public boolean isEmpty() {
    return size == 0;
}
// 根据索引设值
public E set(int index, E element) {
    // 判断索引是大于元素个数
    rangeCheck(index);
    // 替换数组中的元素
    E oldValue = elementData(index);
    elementData[index] = element;
    return oldValue;
}

索引取值

// 根据索引获取元素
E elementData(int index) {
    return (E) elementData[index];
}
// 根据索引获取元素
public E get(int index) {
    // 判断索引是否大于元素个数
    rangeCheck(index);
    // 数组取值
    return elementData(index);
}

找索引

public int indexOf(Object o) {
    if (o == null) {// 参数为空
        // 遍历查找为空的元素，并返回索引（从0开始）
        for (int i = 0; i < size; i++)
            if (elementData[i]==null)
                return i;
    } else {// 参数不为空
        // 遍历查找equals一样的元素，并返回索引（从0开始）
        for (int i = 0; i < size; i++)
            if (o.equals(elementData[i]))
                return i;
    }
    // 未找到返回-1
    return -1;
}
public int lastIndexOf(Object o) {
    if (o == null) {// 参数为空
        // 遍历查找为空的元素，并返回索引（从size-1开始）
        for (int i = size-1; i >= 0; i--)
            if (elementData[i]==null)
                return i;
    } else {// 参数不为空
        // 遍历查找equals一样的元素，并返回索引（从size-1开始）
        for (int i = size-1; i >= 0; i--)
            if (o.equals(elementData[i]))
                return i;
    }
    return -1;
}

添加方法

public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);
    elementData[size++] = e;
    return true;
}
public void add(int index, E element) {
    // 验证index是否越界
    rangeCheckForAdd(index);
    ensureCapacityInternal(size + 1);
    // 从index位置开始，后面的元素全部向后移动1
    System.arraycopy(elementData, index, elementData,
            index + 1, size - index);
    elementData[index] = element;
    size++;
}
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
    // 参数集合转数组
    Object[] a = c.toArray();
    int numNew = a.length;
    ensureCapacityInternal(size + numNew);
    // 数组拼接
    System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
    // 修改元素个数
    size += numNew;
    // 参数中元素个数不为0时添加成功
    return numNew != 0;
}
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
    // 验证index是否越界
    rangeCheckForAdd(index);
    // 参数集合转数组
    Object[] a = c.toArray();
    int numNew = a.length;
    ensureCapacityInternal(size + numNew);
    // 判断插入的位置是否有元素
    int numMoved = size - index;
    if (numMoved > 0)
        // 有元素就把后元素向后移动numNew，给参数留位置
        System.arraycopy(elementData, index, elementData,
                index + numNew, numMoved);
    // 数组拼接
    System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);
    // 修改元素个数
    size += numNew;
    // 参数中元素个数不为0时添加成功
    return numNew != 0;
}

向元素数组中插入新元素。这里一直提到ensureCapacityInternal方法，下面看看这个方法

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    // 这里调用calculateCapacity方法
    ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData,
            minCapacity));
}
private static int calculateCapacity(Object[] elementData,
                                     int minCapacity) {
    // 这里判断是否为第一次添加元素
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        // 第一次添加，取元素个数或默认长度中大的一个
        return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    return minCapacity;
}
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;
    // 判断是否需要扩容
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);
}

上面ensureCapacityInternal方法源码可以看出，第一次调用时初始化数组，后面调用时它的作用就是接受一个长度，判断这个长度是否超过数组长度，超过就要扩容

扩容

private void grow(int minCapacity) {
    // 原数组长度
    int oldCapacity = elementData.length;
    // 新长度 新长度为原长度的1.5倍
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    // 新长度小元素个数，则新长度为元素个数
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    // 新长度超限，hugeCapacity判断长度超限
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
    // 长度小于0抛异常
    if (minCapacity < 0) // overflow
        throw new OutOfMemoryError();
    // 长度超过Integer.MAX_VALUE-8时，取Integer.MAX_VALUE
    return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
            Integer.MAX_VALUE :
            MAX_ARRAY_SIZE;
}

通过上面方法可以看到，扩容在添加之前，扩容后长度为原来的1.5倍（>>1 右移一位相当于除以2，左移一位相当于乘以2），扩容后长度超过int最大值减8时取int最大值

删除

单个元素删除比较简单
public E remove(int index) {
    // 判断索引是否大于元素个数
    rangeCheck(index);
    // 修改次数
    modCount++;
    E oldValue = elementData(index);
    // 移动数组中的元素，如果是最后一个就忽略移动
    int numMoved = size - index - 1;
    if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index+1,
                elementData, index, numMoved);
    // 修改长度，并把最后一个置空
    elementData[--size] = null;
    // 返回原来元素
    return oldValue;
}
public boolean remove(Object o) {
    if (o == null) {
        // 遍历数组
        for (int index = 0; index < size; index++)
            // 查找位置
            if (elementData[index] == null) {
                // 只删除了第一个
                fastRemove(index);
                return true;
            }
    } else {
        // 遍历数组
        for (int index = 0; index < size; index++)
            // 查找位置
            if (o.equals(elementData[index])) {
                // 只删除了第一个
                fastRemove(index);
                return true;
            }
    }
    return false;
}
private void fastRemove(int index) {
    // 修改次数
    modCount++;
    // 移动数组中的元素，如果是最后一个就忽略移动
    int numMoved = size - index - 1;
    if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                numMoved);
    // 修改长度，并把最后一个置空
    elementData[--size] = null;
}

多个元素删除

public boolean removeAll(Collection<?> c) {
    // 参数为空校验
    Objects.requireNonNull(c);
    return batchRemove(c, false);
}
private boolean batchRemove(Collection<?> c, boolean complement) {
    final Object[] elementData = this.elementData;
    int r = 0, w = 0;
    boolean modified = false;
    try {
        // 遍历当前数组
        for (; r < size; r++)
            // 判断参数中是否包含当前元素
            if (c.contains(elementData[r]) == complement)
                // 整理当前数组，w为已整理元素个数
                elementData[w++] = elementData[r];
    } finally {
        // 只有在前面循环完，数组扩容才会r!=size
        if (r != size) {
            // 把w至r的元素干掉，r至新size的元素前移
            System.arraycopy(elementData, r,
                    elementData, w, size - r);
            // 设置w长度
            w += size - r;
        }
        // 参数跟当前数组不一样
        if (w != size) {
            // 从w开始清空
            for (int i = w; i < size; i++)
                elementData[i] = null;
            modCount += size - w;
            // 修改元素个数
            size = w;
            modified = true;
        }
    }
    return modified;
}

可以看出JDK 考虑的非常细

取交集

public boolean retainAll(Collection<?> c) {
    Objects.requireNonNull(c);
    return batchRemove(c, true);
}

清空

public void clear() {
    modCount++;
    for (int i = 0; i < size; i++)
        // 数组中元素置空
        elementData[i] = null;
    // 长度设为0
    size = 0;
}

转数组

public Object[] toArray() {
    return Arrays.copyOf(elementData, size);
}
public <T> T[] toArray(T[] a) {
    // 判断长度是否够用
    if (a.length < size)
        // 长度不够，创建长度为size的数组，并拷贝
        return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass());
    // 长度不够用，直接拷贝
    System.arraycopy(elementData, 0, a, 0, size);
    if (a.length > size)
        a[size] = null;
    return a;
}