Java容器笔记（五）：ArrayList源码简单分析
前言
ArrayList是最常用的集合之一，先简单回顾ArrayList的特点：
a.数据结构为数组，随机访问快，插入或删除慢；
b.线程不安全；
c.元素可为空，可重复，有序；
下面的思路就是从代码中一一找出以上特点的实现
数据结构为数组
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable{
//默认容量大小：10，即如果在创建ArrayList的时候如果不指定初始大小，则默认为10
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
/**
* The array buffer into which the elements of the ArrayList are stored.
* The capacity of the ArrayList is the length of this array buffer. Any
* empty ArrayList with elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
* will be expanded to DEFAULT_CAPACITY when the first element is added.
* 集合元素被储存的位置，可以看出ArrayList的底层数据结构就是一个简单的数组。
*/
transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
/**
*
* 构造方法，指定初始大小。
*
* 如果initialCapacity大于0，就new一个数组，这个数组的容量为initialCapacity
* 如果initialCapacity等于0，就让底层数组为{}。
* 如果initialCapacity小于0，就抛出异常。
*/
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);
}
}
/**
*
* 构造方法，初始大小为10
*
*/
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
/**
*
* 构造方法，传入一个集合
*
*/
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
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;
}
}
可以看出，元素都是放在elementData数组中的。
随机访问快
//根据位置获取元素：就是根据数组下标获取的
public E get(int index) {
rangeCheck(index);
return elementData(index);
}
在数组中的元素，可以通过下标直接访问，因此说随机访问速度快。
此外，ArrayList还实现了RandomAccess接口：该接口仅仅是一个标识，其中并没与具体的方法要重写。实现该空接口就意味着支持随机访问，并且在遍历的时候：
for (int i=0, n=list.size(); i < n; i++)
list.get(i);
runs faster than this loop:
for (Iterator i=list.iterator(); i.hasNext(); )
i.next();
也就是说，在遍历集合的时候，可以通过这种方法来优化：
if (list instanceof RandomAccess) {
for (int i=0; i<size; i++)
//....
} else {
for (Iterator i=list.iterator(); i.hasNext(); )
//...
}
插入或删除速度慢
首先看add方法：
//添加元素：放在最后（就是数组下标从0到length依次填充）
public boolean add(E e) {
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
elementData[size++] = e;
return true;
}
//在某个位置添加元素，如果该位置以及该位置的右边含有元素，原有元素就会右移。
//要注意与set(int index, E element)方法的区别
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++;
}
对于add(E e)方法，会将元素添加到数组的最后，此时速度并不慢。但是在调用add(int index, E element)方法的时候，会将index位置以及右侧所有元素向右移动一位，因此说插入速度慢。
此外，如果元素为空，也会成功添加到集合中，也就是说ArrayList允许元素为空，也可以重复。
还要注意add(int index, E element)与set(int index, E element)方法的区别：add并不会改变原index位置处的元素，而是index位置及该位置右边的元素右移一位，将新元素插在index位置处。而set则是用新元素直接替换掉index位置的旧元素，但不会影响index位置之后的元素。
//元素替换，返回替换之前该位置的元素
public E set(int index, E element) {
rangeCheck(index);
E oldValue = elementData(index);
elementData[index] = element;
return oldValue;
}
再看移除操作：
//移除某位置的元素，该元素右边的元素都会左移
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;
}
同样是将元素左移，需要操作大量除index位置处的元素。
在上面的代码中，元素左移和右移是通过方法System.arraycopy方法实现的。arraycopy是System类的静态方法，是一个native方法。
/ * @param src the source array.
* @param srcPos starting position in the source array.
* @param dest the destination array.
* @param destPos starting position in the destination data.
* @param length the number of array elements to be copied.
*/
public static native void arraycopy(Object src, int srcPos,
Object dest, int destPos,
int length);
意思是：将数组src从位置srcPos开始的length个元素，放到数组dest中（从位置destPos开始放）。
线程不安全
可以先看ArrayList线程不安全分析中的测试小例子，理解几种线程不安全的情况。我的理解是，多个线程对同一ArraryList实例进行修改时（或者一些线程在修改，另一些线程在遍历），由于未进行同步，导致成员变量size值或者内部数组elementData元素不一样，导致出错：或者越界或者遍历时fail-fast等。限于水平，对Java内存模型的认识不足，不再叙述。
说一下fail-fast机制：
这是在对ArrayList遍历的时候，Java采取的一种快速报错机制：假如一个线程正在使用Iterator遍历ArrayList，而另一个线程对该ArrayList进行了结构上的修改（增加元素、删除元素可以认为是结构上的修改，而像set这种设置某个位置上的元素则不认为是结构上的修改），迭代器就会抛出 ConcurrentModificationException 异常，这种机制成为fail-fast机制。在单线程环境下，在使用Iterator遍历ArrayList的时候如果修改了该ArrayList的结构，也会报ConcurrentModificationException异常，例如：
public static void main(String[] args){
List<String> list = new ArrayList<String>();
list.add("1");
list.add("2");
list.add("3");
list.add("4");
list.add("5");
list.add("6");
list.add("7");
list.add("8");
list.add("9");
for (Iterator<String> i = list.iterator(); i.hasNext();){
String s = i.next();
System.out.println("当前元素值是：" + s);
if("5".equals(s)){
list.add("10");
System.out.println("添加完成");
}
}
}
//运行后，结果如下：
当前元素值是：1
当前元素值是：2
当前元素值是：3
当前元素值是：4
当前元素值是：5
添加完成
Exception in thread "main" java.util.ConcurrentModificationException
at java.util.ArrayList$Itr.checkForComodification(ArrayList.java:901)
at java.util.ArrayList$Itr.next(ArrayList.java:851)
at hello.test.main(test.java:29)
要注意的是，fail-fast机制仅仅是一种错误检测机制。它只能被用来检测错误，因为JDK并不保证fail-fast机制一定会发生。
public E next() {
checkForComodification();
int i = cursor;
if (i >= size)
throw new NoSuchElementException();
Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
if (i >= elementData.length)
throw new ConcurrentModificationException();//-------(1)
cursor = i + 1;
return (E) elementData[lastRet = i];
}
final void checkForComodification() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
也就说，当迭代器通过next()方法返回元素的时候，执行到（1）处，已经对并发修改的情况进行了尽可能的检查，但是假如此时另一个线程对该ArrayList在位置i处进行了元素插入操作，迭代器依然可以正常的返回元素值，但已经不是迭代开始的那个值了。这依然是不安全的。
总结一下fail-fast机制就是：
虽然是抛出ConcurrentModificationException异常，但在单线程条件下也可能会发生；
只能作为一种检查机制，并不能通过该异常的抛出判断线程的安不安全，也就是不能指望让程序不抛出整个异常来保证线程安全。
用Iterator自身的remove()方法来移除元素，并不会抛出该异常。
public static void main(String[] args){
List<String> list = new ArrayList<String>();
list.add("1");
list.add("2");
list.add("3");
list.add("4");
list.add("5");
list.add("6");
list.add("7");
list.add("8");
list.add("9");
for (Iterator<String> i = list.iterator(); i.hasNext();){
String s = i.next();
System.out.println("当前元素值是：" + s);
if("5".equals(s)){
System.out.println("移除元素：" + s);
i.remove();
}
}
System.out.println("------");
for (Iterator<String> i = list.iterator(); i.hasNext();){
String s = i.next();
System.out.println("当前元素值是：" + s);
}
}
//打印结果如下：
当前元素值是：1
当前元素值是：2
当前元素值是：3
当前元素值是：4
当前元素值是：5
移除元素：5
当前元素值是：6
当前元素值是：7
当前元素值是：8
当前元素值是：9
------
当前元素值是：1
当前元素值是：2
当前元素值是：3
当前元素值是：4
当前元素值是：6
当前元素值是：7
当前元素值是：8
当前元素值是：9
扩容方式
什么时候会扩容？肯定是在添加元素的时候，如果内部数组不足以存放要添加的元素，才会去扩大数组的容量。看下面的代码（去掉了无关的代码）
public boolean add(E e) {
ensureCapacityInternal(size + 1);
elementData[size++] = e;
return true;
}
//这里minCapacity就是size + 1，也就是内部数组在调整后至少要这么大。
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
//如果此时内部数组为空数组，就把minCapacity设置为默认容量和minCapacity之间的大者
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
public void ensureCapacity(int minCapacity) {
//minExpand字面意思就是要扩展的最小值，
//如果此时内部数组为空数组，minExpand为默认值10，否则为0
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;
//除非是空数组，否则都会执行下面的逻辑
if (minCapacity > minExpand) {
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
}
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}
/**
*
* 扩容操作，使得ArrayList至少可以放minCapacity个元素
*
*/
private void grow(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length;
//真正的扩容语句：位操作，右移相当于除以2
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
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);
}
总结一下就是：newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1) = 1.5*oldCapacity。如果一开始就能估计出ArrayList的大小，构造ArrayList时指定初始容量是很好的习惯，可以避免多次扩容带来的额外开销。
其实这只是源码的一小部分的认识，还有很多有待研究。
如有不当和错误之处，欢迎指出。
