從面試角度分析ArrayList源碼

注：本系列文章中用到的jdk版本均為java8

ArrayList類圖如下：

ArrayList的底層是由數組實現的，數組的特點是固定大小，而ArrayList實現了動態擴容。

ArrayList部分變量如下，在下面的分析中會用到這些變量。

/**
 * 默認容量
 */
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
/**
 * 空的對象數組
 */
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/**
 * 無參構造器創建的空數組
 */
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/**
 * 存放數據的數組的緩存變量
 */
transient Object[] elementData;
/**
 * 元素數量
 */
private int size;

一、初始化ArrayList

初始化ArrayList一般會使用以下兩個構造器

1.1 無參構造器

初始化ArrayList的時候如果不指定大小，則會創建一個空數組。

public ArrayList() {
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

1.2 指定數組大小的構造器

創建一個預估大小的數組，指定大小后只是指定了數組初始值的大小，不影響后面擴容，指定的好處就是可以節省內存及時間上的開銷。

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);
    }
}

二、添加元素、動態擴容

ArrayList.add(E e)源碼：

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

add()中elementData[size++] = e很好理解，就是將元素插入第size個位置，然后將size++，我們重點來看看ensureCapacityInternal(size + 1)方法；

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

ensureCapacityInternal()方法中判斷緩存變量elementData是否為空，也就是判斷是否是第一次添加元素，如果是第一次添加元素，則設置初始化大小為默認容量10，否則為傳入的參數。這個方法的目的就是獲取初始化數組容量。獲取到初始化容量后調用ensureExplicitCapacity(minCapacity)方法；

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;

    // overflow-conscious code
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);
}

ensureExplicitCapacity(minCapacity)方法用來判斷是否需要擴容，假如第一次添加元素，minCapacity為10，elementData容量為0，那么就需要去擴容。調用grow(minCapacity)方法。

// 數組的最大容量
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

private void grow(int minCapacity) {
    // overflow-conscious code
    int oldCapacity = elementData.length;
    // 擴容大小為原來數組長度的1.5倍
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    // 擴容容量比需要擴容的長度小，則使用需要擴容的容量
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    // 擴容容量比最大數組長度大，則使用最大整數長度
    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);
}

grow(minCapacity)方法對數組進行擴容，擴容大小為原數組的1.5倍，如果計算出的擴容容量比需要的容量小，則擴容大小為需要的容量，如果擴容容量比數組最大容量大，則調用hugeCapacity(minCapacity)方法，將數組擴容為整數的最大長度，然后將elemetData數組指向新擴容的內存空間並將元素復制到新空間。

當需要的集合容量特別大時，擴容1.5倍就會非常消耗空間，因此建議初始化時預估一個容量大小。

三、刪除元素

ArrayList提供兩種刪除元素的方法，可以通過索引和元素進行刪除。兩種刪除大同小異，刪除元素后，將后面的元素一次向前移動。

ArrayList.remove(int index)源碼：

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;
}

刪除元素時，首先會判斷索引是否大於ArrayList的大小，如果索引范圍正確，則將索引位置的下一個元素賦值到索引位置，將ArrayList的大小-1，最后返回移除的元素。操作圖如下，假如我要移除索引為1的元素：

四、總結

ArrayList底層是數組實現的，可以進行動態擴容，擴容大小為原來的1.5倍，雖然可以通過動態擴容，但是數組非常大時會特別浪費空間，因此建議初始化時預估數組大小。ArrayList允許插入重復值和空值。ArrayList實現了RandomAccess接口，支持快速隨機訪問，就是可以通過索引快速查到某個元素，因此遍歷時使用for循環的方式效率更高。ArrayList是線程不安全的，可以通過Collections.synchronizedList將其轉變為線程安全的集合，不過一般不會使用，Vector和CopyOnWriteArrayList是線程安全的，Vector性能一般，逐漸被CopyOnWriteArrayList取代了。

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