集合系列 List（二）：ArrayList
- 2019 年 10 月 3 日
- 筆記
ArrayList 是 List 集合的列表經典實現，其底層採用定長數組實現，可以根據集合大小進行自動擴容。
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable原理
為了深入理解 ArrayList 的原理，我們將從類成員變數、構造方法、核心方法兩個方面逐一介紹。
類成員變數
// 默認初始化大小 private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10; // 空列表數據。初始化時如果沒有指定大小，則將此值賦予elementData private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {}; // 默認空列表數據。如果沒有指定大小，那麼將此值賦予elementData private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {}; // 列表數據 transient Object[] elementData; // 列表大小 private int size;構造方法
ArrayList 一共有 3 個構造方法：
// 空構造方法 public ArrayList() { this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA; } // 指定大小 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); } } // 指定初始集合 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; } }從第一個構造方法可以看到，如果沒有指定大小，那麼就將 elementData 賦值為 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA。而從第二個構造方法可以看到，如果指定了大小為 0，那麼就將 elementData 賦值為 EMPTY_ELEMENTDATA。
核心方法
在 ArrayList 中最為核心的是獲取、插入、刪除、擴容這幾個方法。
獲取
獲取的源碼非常簡單，只需對 index 做有效性校驗。如果參數合法，那麼直接返回對應數組下標的數據。
public E get(int index) { rangeCheck(index); return elementData(index); }插入
插入一共有兩種實現方式，第一種是直接插入列表尾部，另一種是插入某個位置。
// 直接插入尾部 public boolean add(E e) { ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!! elementData[size++] = e; return true; } // 插入某個位置 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++; }如果是直接插入尾部的話，那麼只需調用 ensureCapacityInternal 方法做容量檢測。如果空間足夠，那麼就插入，空間不夠就擴容後插入。
如果是插入的是某個位置，那麼就需要將 index 之後的所有元素後移以為，之後再將元素插入至 index 處。
刪除
ArrayList 的刪除方法有兩個，分別是：
- 刪除某個位置的元素：remove(int index)
- 刪除某個具體的元素：remove(Object o)
我們先來看第一個刪除方法：刪除某個位置的元素。
// 刪除某個位置的元素 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; }上述程式碼的邏輯大致是這樣的：首先做參數範圍檢查，接著將 index 位置後的所有元素都往前挪一位，最後減少列表大小。
我們繼續看第二個刪除方法：刪除某個特定的元素。
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; }上述程式碼的邏輯大致是：首先，遍歷列表的所有元素，找到需要刪除的元素索引，最後調用 fastRemove 方法刪除該元素。我們繼續看看 fastRemove 方法的實現。
/* * 用私有的方法 fastRemove 方法跳過邊界檢查，不返回刪除值。 */ 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 }這裡會有一個疑問，那就是為什麼不直接復用 remove(int index) 方法，而要新寫一個方法呢？答案在 fastRemove 方法的注釋中已經寫了，就是為了跳過邊界檢查，提高效率。
擴容
擴容是 ArrayList 的核心方法，當插入的時候容量不足，便會觸發擴容。我們可以看到在插入的兩個方法中都調用了擴容方法——ensureCapacityInternal。
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) { ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity)); }ensureCapacityInternal 方法直接調用 ensureExplicitCapacity 實現。
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) { modCount++; // overflow-conscious code if (minCapacity - elementData.length > 0) grow(minCapacity); }ensureExplicitCapacity 方法首先判斷容量是否足夠，如果不夠就調用 grow 方法擴容。
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); }grow 方法的大致邏輯為：將原有列表容量擴大為原來的 1.5 倍。如果還是不夠，那麼直接擴大為最小容量（minCapacity）。
總結
經過上面的分析，我們可以知道 ArrayList 有如下特點：
- 底層基於數組實現，讀取速度快，修改速度慢（讀取時間複雜度O(1)，修改時間複雜度O(N)）。
- 非執行緒安全。
- ArrayList 每次默認擴容為原來的 1.5 倍。
