簡(jiǎn)介

ArrayList 是 java 集合框架中比較常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)了。繼承自 AbstractList，實(shí)現(xiàn)了 List 接口。底層基于數(shù)組實(shí)現(xiàn)容量大小動(dòng)態(tài)變化。允許 null 的存在。同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了 RandomAccess、Cloneable、Serializable 接口，所以ArrayList 是支持快速訪(fǎng)問(wèn)、復(fù)制、序列化的。

成員變量

ArrayList 底層是基于數(shù)組來(lái)實(shí)現(xiàn)容量大小動(dòng)態(tài)變化的。

/**
* The size of the ArrayList (the number of elements it contains).
*/
private int size;  // 實(shí)際元素個(gè)數(shù)
transient Object[] elementData; 

注意：上面的 size 是指 elementData 中實(shí)際有多少個(gè)元素，而 elementData.length 為集合容量，表示最多可以容納多少個(gè)元素。

默認(rèn)初始容量大小為 10;

/**
* Default initial capacity.
*/
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

這個(gè)變量是定義在 AbstractList 中的。記錄對(duì) List 操作的次數(shù)。主要使用是在 Iterator，是防止在迭代的過(guò)程中集合被修改。

protected transient int modCount = 0;

下面兩個(gè)變量是用在構(gòu)造函數(shù)里面的

/**
* Shared empty array instance used for empty instances.
*/
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

/**
* Shared empty array instance used for default sized empty instances. We
* distinguish this from EMPTY_ELEMENTDATA to know how much to inflate when
* first element is added.
*/
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

兩個(gè)空的數(shù)組有什么區(qū)別呢？ We distinguish this from EMPTY_ELEMENTDATA to know how much to inflate when first element is added. 簡(jiǎn)單來(lái)講就是第一次添加元素時(shí)知道該 elementData 從空的構(gòu)造函數(shù)還是有參構(gòu)造函數(shù)被初始化的。以便確認(rèn)如何擴(kuò)容。

構(gòu)造函數(shù)

無(wú)參構(gòu)造函數(shù)

/**
* Constructs an empty list with an initial capacity of ten.
*/
public ArrayList() {
	this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

注意：注釋是說(shuō)構(gòu)造一個(gè)容量大小為 10 的空的 list 集合，但構(gòu)造函數(shù)了只是給 elementData 賦值了一個(gè)空的數(shù)組，其實(shí)是在第一次添加元素時(shí)容量擴(kuò)大至 10 的。

構(gòu)造一個(gè)初始容量大小為 initialCapacity 的 ArrayList

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);
	}
}

由以上源碼可見(jiàn)： 當(dāng)使用無(wú)參構(gòu)造函數(shù)時(shí)是把 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 賦值給 elementData。 當(dāng) initialCapacity 為零時(shí)則是把 EMPTY_ELEMENTDATA 賦值給 elementData。 當(dāng) initialCapacity 大于零時(shí)初始化一個(gè)大小為 initialCapacity 的 object 數(shù)組并賦值給 elementData。

使用指定 Collection 來(lái)構(gòu)造 ArrayList 的構(gòu)造函數(shù)

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;
	}
}

將 Collection 轉(zhuǎn)化為數(shù)組并賦值給 elementData，把 elementData 中元素的個(gè)數(shù)賦值給 size。 如果 size 不為零，則判斷 elementData 的 class 類(lèi)型是否為 Object[]，不是的話(huà)則做一次轉(zhuǎn)換。 如果 size 為零，則把 EMPTY_ELEMENTDATA 賦值給 elementData，相當(dāng)于new ArrayList(0)。

主要操作方法解析

add 操作

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

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
	if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
		minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
	}
	ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
	modCount++;
	// overflow-conscious code
	if (minCapacity - elementData.length > 0)
		grow(minCapacity);
}

由此可見(jiàn)：每次添加元素到集合中時(shí)都會(huì)先確認(rèn)下集合容量大小。然后將 size 自增 1。ensureCapacityInternal 函數(shù)中判斷如果 elementData =DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 就取 DEFAULT_CAPACITY 和 minCapacity 的最大值也就是 10。這就是 EMPTY_ELEMENTDATA 與DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 的區(qū)別所在。同時(shí)也驗(yàn)證了上面的說(shuō)法：使用無(wú)慘構(gòu)造函數(shù)時(shí)是在第一次添加元素時(shí)初始化容量為 10 的。ensureExplicitCapacity 中對(duì) modCount 自增 1，記錄操作次數(shù)，然后如果 minCapacity 大于 elementData 的長(zhǎng)度，則對(duì)集合進(jìn)行擴(kuò)容。顯然第一次添加元素時(shí) elementData 的長(zhǎng)度為零。那我們來(lái)看看 grow 函數(shù)。

private void grow(int minCapacity) {
	// overflow-conscious code
	int oldCapacity = elementData.length;
	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);
}

很簡(jiǎn)單明了的一個(gè)函數(shù)，默認(rèn)將擴(kuò)容至原來(lái)容量的 1.5 倍。但是擴(kuò)容之后也不一定適用，有可能太小，有可能太大。所以才會(huì)有下面兩個(gè) if 判斷。如果1.5倍太小的話(huà)，則將我們所需的容量大小賦值給newCapacity，如果1.5倍太大或者我們需要的容量太大，那就直接拿 newCapacity = (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ? Integer.MAX_VALUE : MAX_ARRAY_SIZE 來(lái)擴(kuò)容。然后將原數(shù)組中的數(shù)據(jù)復(fù)制到大小為 newCapacity 的新數(shù)組中，并將新數(shù)組賦值給 elementData。

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++;
}

public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
	Object[] a = c.toArray();
	int numNew = a.length;
	ensureCapacityInternal(size + numNew);  // Increments modCount
	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);  // Increments modCount

	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;
}

有以上源碼可知，add(int index, E element)，addAll(Collection<? extends E> c)，addAll(int index, Collection<? extends E> c) 操作是都是先對(duì)集合容量檢查 ，以確保不會(huì)數(shù)組越界。然后通過(guò) System.arraycopy() 方法將舊數(shù)組元素拷貝至一個(gè)新的數(shù)組中去。

remove 操作

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;
}
	
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; // clear to let GC do its work
}

當(dāng)我們調(diào)用 remove(int index) 時(shí)，首先會(huì)檢查 index 是否合法，然后再判斷要?jiǎng)h除的元素是否位于數(shù)組的最后一個(gè)位置。如果 index 不是最后一個(gè)，就再次調(diào)用 System.arraycopy() 方法拷貝數(shù)組。說(shuō)白了就是將從 index + 1 開(kāi)始向后所有的元素都向前挪一個(gè)位置。然后將數(shù)組的最后一個(gè)位置空，size - 1。如果 index 是最后一個(gè)元素那么就直接將數(shù)組的最后一個(gè)位置空，size - 1即可。 當(dāng)我們調(diào)用 remove(Object o) 時(shí)，會(huì)把 o 分為是否為空來(lái)分別處理。然后對(duì)數(shù)組做遍歷，找到第一個(gè)與 o 對(duì)應(yīng)的下標(biāo) index，然后調(diào)用 fastRemove 方法，刪除下標(biāo)為 index 的元素。其實(shí)仔細(xì)觀(guān)察 fastRemove(int index) 方法和 remove(int index) 方法基本全部相同。

get操作

public E get(int index) {
	rangeCheck(index);
	return elementData(index);
}

由于 ArrayList 底層是基于數(shù)組實(shí)現(xiàn)的，所以獲取元素就相當(dāng)簡(jiǎn)單了，直接調(diào)用數(shù)組隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)即可。

迭代器 iterator

有使用過(guò)集合的都知道，在用 for 遍歷集合的時(shí)候是不可以對(duì)集合進(jìn)行 remove操作的，因?yàn)?remove 操作會(huì)改變集合的大小。從而容易造成結(jié)果不準(zhǔn)確甚至數(shù)組下標(biāo)越界，更嚴(yán)重者還會(huì)拋出 ConcurrentModificationException。

foreach 遍歷等同于 iterator。為了搞清楚異常原因，我們還必須過(guò)一遍源碼。

public Iterator<E> iterator() {
	return new Itr();
}

原來(lái)是直接返回一個(gè) Itr 對(duì)象。

private class Itr implements Iterator<E> {
	int cursor;       // index of next element to return
	int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such
	int expectedModCount = modCount;

	public boolean hasNext() {
		return cursor != size;
	}

	@SuppressWarnings("unchecked")
	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();
		cursor = i + 1;
		return (E) elementData[lastRet = i];
	}

	public void remove() {
		if (lastRet < 0)
			throw new IllegalStateException();
		checkForComodification();

		try {
			ArrayList.this.remove(lastRet);
			cursor = lastRet;
			lastRet = -1;
			expectedModCount = modCount;
		} catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
			throw new ConcurrentModificationException();
		}
	}

	final void checkForComodification() {
		if (modCount != expectedModCount)
			throw new ConcurrentModificationException();
	}
}

從源碼可以看出，ArrayList 定義了一個(gè)內(nèi)部類(lèi) Itr 實(shí)現(xiàn)了 Iterator 接口。在 Itr 內(nèi)部有三個(gè)成員變量。 cursor：代表下一個(gè)要訪(fǎng)問(wèn)的元素下標(biāo)。 lastRet：代表上一個(gè)要訪(fǎng)問(wèn)的元素下標(biāo)。 expectedModCount：代表對(duì) ArrayList 修改次數(shù)的期望值，初始值為 modCount。

下面看看 Itr 的三個(gè)主要函數(shù)。

• hasNext 實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，如果下一個(gè)元素的下標(biāo)等于集合的大小 ，就證明到最后了。
• next 方法也不復(fù)雜，但很關(guān)鍵。首先判斷 expectedModCount 和 modCount 是否相等。然后對(duì) cursor 進(jìn)行判斷，看是否超過(guò)集合大小和數(shù)組長(zhǎng)度。然后將 cursor 賦值給 lastRet ，并返回下標(biāo)為 lastRet 的元素。最后將 cursor 自增 1。開(kāi)始時(shí)，cursor = 0，lastRet = -1；每調(diào)用一次 next 方法， cursor 和 lastRet 都會(huì)自增 1。
• remove 方法首先會(huì)判斷 lastRet? 的值是否小于 0，然后在檢查 expectedModCount 和 modCount 是否相等。接下來(lái)是關(guān)鍵，直接調(diào)用 ArrayList 的 remove 方法刪除下標(biāo)為 lastRet 的元素。然后將 lastRet 賦值給 cursor ，將 lastRet 重新賦值為 -1，并將 modCount 重新賦值給 expectedModCount。

下面我們一步一步來(lái)分析 Itr 的操作。如圖一所示，開(kāi)始時(shí) cursor 指向下標(biāo)為 0 的元素，lastRet 指向下標(biāo)為 -1 的元素，也就是 null。每調(diào)用一次 next，cursor 和lastRet 就分別會(huì)自增 1。當(dāng) next 返回 “C” 時(shí)，cursor 和 lastRet 分別為 3 和 2 [圖二]。

此時(shí)調(diào)用 remove，注意是 ArrayList 的 remove，而不是 Itr 的 remove。會(huì)將 D E 兩個(gè)元素直接往前移動(dòng)一位，最后一位置空，并且 modCount 會(huì)自增 1。從 remove 方法可以看出。[圖三]。

此時(shí) cursor = 3，size = 4，沒(méi)有到數(shù)組末尾，所以循環(huán)繼續(xù)。來(lái)到 next 方法，因?yàn)樯弦徊降?remove 方法對(duì) modCount 做了修改 ，致使 expectedModCount 與 modCount 不相等，這就是 ConcurrentModificationException 異常的原因所在。從例子.png中也可以看出異常出自 ArrayList 中的內(nèi)部類(lèi) Itr 中的 checkForComodification 方法。

異常的解決：

直接調(diào)用 iterator.remove() 即可。因?yàn)樵谠摲椒ㄖ性黾恿?expectedModCount = modCount 操作。但是這個(gè) remove 方法也有弊端。

• 1、只能進(jìn)行remove操作，add、clear 等 Itr 中沒(méi)有。
• 2、調(diào)用 remove 之前必須先調(diào)用 next。因?yàn)?remove 開(kāi)始就對(duì) lastRet 做了校驗(yàn)。而 lastRet 初始化時(shí)為 -1。
• 3、next 之后只可以調(diào)用一次 remove。因?yàn)?remove 會(huì)將 lastRet 重新初始化為 -1

總結(jié)

ArrayList 底層基于數(shù)組實(shí)現(xiàn)容量大小動(dòng)態(tài)可變。 擴(kuò)容機(jī)制為首先擴(kuò)容為原始容量的 1.5 倍。如果1.5倍太小的話(huà)，則將我們所需的容量大小賦值給 newCapacity，如果1.5倍太大或者我們需要的容量太大，那就直接拿 newCapacity = (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ? Integer.MAX_VALUE : MAX_ARRAY_SIZE 來(lái)擴(kuò)容。 擴(kuò)容之后是通過(guò)數(shù)組的拷貝來(lái)確保元素的準(zhǔn)確性的，所以盡可能減少擴(kuò)容操作。 ArrayList 的最大存儲(chǔ)能力：Integer.MAX_VALUE。 size 為集合中存儲(chǔ)的元素的個(gè)數(shù)。elementData.length 為數(shù)組長(zhǎng)度，表示最多可以存儲(chǔ)多少個(gè)元素。 如果需要邊遍歷邊 remove ，必須使用 iterator。且 remove 之前必須先 next，next 之后只能用一次 remove。

以上所述是小編給大家介紹的java數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)ArrayList詳解，希望對(duì)大家有所幫助。在此也非常感謝大家對(duì)腳本之家網(wǎng)站的支持！

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