面試必備：ArrayList源碼解析（JDK8）

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概述

很久沒有寫博客了，準確的說17年以來寫博客的頻率降低到一個不忍直視的水平。這個真不怪我，給大家解釋一下。
一是自從做了leader，整天各種事，開會，過需求，無限循環。心很累，時間也被無線壓榨
二我本身也在學習一些其他的技術，比如ReactNative，也看了半天的kotlin，擼了幾個groovy腳本、gradle插件。
三是打算找工作了。又要開始複習數據結構和算法。

得，腦海中有很多躺了無數天的，甚至半成稿的博客，比如組件化、Rxjava一些使用注意點，都被我擱置delay了。
這眼瞧着，很久沒寫了，寫點啥吧。

正巧最近在看jdk的Collection集合源碼，這種單個類的源碼解析，寫起來還算比較方便。
關鍵代碼處加上註釋，核心處做個總結，就可以成文，拿出來和大家討論分享。
且網上絕大多數都是JDK7甚至之前的源碼解析文章。咱們也要與時俱進。
這似乎是我回歸博客的一個不錯選擇。

那下面就跟我一起擼起ArrayList的源碼吧。

本文將從幾個常用方法下手，來閱讀ArrayList的源碼。
按照從構造方法->常用API（增、刪、改、查）的順序來閱讀源碼，並會講解閱讀方法中涉及的一些變量的意義。瞭解ArrayList的特點、適用場景。

如果本文中有不正確的結論、說法，請大家提出和我討論，共同進步，謝謝。

概要

概括的說，ArrayList 是一個動態數組，它是線程不安全的，允許元素爲null。
其底層數據結構依然是數組，它實現了List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable接口，其中RandomAccess代表了其擁有隨機快速訪問的能力，ArrayList可以以O(1)的時間複雜度去根據下標訪問元素。

因其底層數據結構是數組，所以可想而知，它是佔據一塊連續的內存空間（容量就是數組的length），所以它也有數組的缺點，空間效率不高。

由於數組的內存連續，可以根據下標以O1的時間讀寫(改查)元素，因此時間效率很高。

當集合中的元素超出這個容量，便會進行擴容操作。擴容操作也是ArrayList 的一個性能消耗比較大的地方，所以若我們可以提前預知數據的規模，應該通過public ArrayList(int initialCapacity) {}構造方法，指定集合的大小，去構建ArrayList實例，以減少擴容次數，提高效率。

或者在需要擴容的時候，手動調用public void ensureCapacity(int minCapacity) {}方法擴容。
不過該方法是ArrayList的API，不是List接口裏的，所以使用時需要強轉:
((ArrayList)list).ensureCapacity(30);

當每次修改結構時，增加導致擴容，或者刪，都會修改modCount。

構造方法

    //默認構造函數裏的空數組
    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

    //存儲集合元素的底層實現：真正存放元素的數組
    transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
    //當前元素數量
    private int size;

    //默認構造方法
    public ArrayList() {
        //默認構造方法只是簡單的將 空數組賦值給了elementData
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }

    //空數組
    private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
    //帶初始容量的構造方法
    public ArrayList(int initialCapacity) {
        //如果初始容量大於0，則新建一個長度爲initialCapacity的Object數組.
        //注意這裏並沒有修改size(對比第三個構造函數)
        if (initialCapacity > 0) {
            this.elementData = new Object[initialCapacity];
        } else if (initialCapacity == 0) {//如果容量爲0，直接將EMPTY_ELEMENTDATA賦值給elementData
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        } else {//容量小於0，直接拋出異常
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                               initialCapacity);
        }
    }

    //利用別的集合類來構建ArrayList的構造函數
    public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
        //直接利用Collection.toArray()方法得到一個對象數組，並賦值給elementData 
        elementData = c.toArray();
        //因爲size代表的是集合元素數量，所以通過別的集合來構造ArrayList時，要給size賦值
        if ((size = elementData.length) != 0) {
            // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
            if (elementData.getClass() != Object[].class)//這裏是當c.toArray出錯，沒有返回Object[]時，利用Arrays.copyOf 來複制集合c中的元素到elementData數組中
                elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
        } else {
            //如果集合c元素數量爲0，則將空數組EMPTY_ELEMENTDATA賦值給elementData 
            // replace with empty array.
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        }
    }

小結一下，構造函數走完之後，會構建出數組elementData和數量size。

這裏大家要注意一下Collection.toArray()這個方法，在Collection子類各大集合的源碼中，高頻使用了這個方法去獲得某Collection的所有元素。

關於方法：Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class)，就是根據class的類型來決定是new 還是反射去構造一個泛型數組，同時利用native函數，批量賦值元素至新數組中。
如下：

    public static <T,U> T[] copyOf(U[] original, int newLength, Class<? extends T[]> newType) {
        @SuppressWarnings("unchecked")
        //根據class的類型來決定是new 還是反射去構造一個泛型數組
        T[] copy = ((Object)newType == (Object)Object[].class)
            ? (T[]) new Object[newLength]
            : (T[]) Array.newInstance(newType.getComponentType(), newLength);
        //利用native函數，批量賦值元素至新數組中。
        System.arraycopy(original, 0, copy, 0,
                         Math.min(original.length, newLength));
        return copy;
    }

值得注意的是，System.arraycopy也是一個很高頻的函數，大家要留意一下。

    public static native void arraycopy(Object src,  int  srcPos,
                                        Object dest, int destPos,
                                        int length);

常用API

1 增

每次 add之前，都會判斷add後的容量，是否需要擴容。

public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    elementData[size++] = e;//在數組末尾追加一個元素，並修改size
    return true;
}
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;//默認擴容容量 10
    private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        //利用 == 可以判斷數組是否是用默認構造函數初始化的
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
            minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }

        ensureExplicitCapacity(minCapacity);
    }


private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;//如果確定要擴容，會修改modCount 

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

//需要擴容的話，默認擴容一半
private void grow(int minCapacity) {
    // overflow-conscious code
    int oldCapacity = elementData.length;
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);//默認擴容一半
    if (newCapacity - minCapacity < 0)//如果還不夠 ，那麼就用 能容納的最小的數量。（add後的容量）
        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);//拷貝，擴容，構建一個新數組，
}


public void add(int index, E element) {
    rangeCheckForAdd(index);//越界判斷 如果越界拋異常

    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                     size - index); //將index開始的數據 向後移動一位
    elementData[index] = element;
    size++;
}

public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
    Object[] a = c.toArray();
    int numNew = a.length;
    ensureCapacityInternal(size + numNew);  // Increments modCount //確認是否需要擴容
    System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);// 複製數組完成複製
    size += numNew;
    return numNew != 0;
}

public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
    rangeCheckForAdd(index);//越界判斷

    Object[] a = c.toArray();
    int numNew = a.length;
    ensureCapacityInternal(size + numNew);  // Increments modCount //確認是否需要擴容

    int numMoved = size - index;
    if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew,
                         numMoved);//移動（複製)數組

    System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);//複製數組完成批量賦值
    size += numNew;
    return numNew != 0;
}

總結：
add、addAll。
先判斷是否越界，是否需要擴容。
如果擴容，就複製數組。
然後設置對應下標元素值。

值得注意的是：
1 如果需要擴容的話，默認擴容一半。如果擴容一半不夠，就用目標的size作爲擴容後的容量。
2 在擴容成功後，會修改modCount

2 刪

public E remove(int index) {
    rangeCheck(index);//判斷是否越界
    modCount++;//修改modeCount 因爲結構改變了
    E oldValue = elementData(index);//讀出要刪除的值
    int numMoved = size - index - 1;
    if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                         numMoved);//用複製 覆蓋數組數據
    elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work  //置空原尾部數據 不再強引用， 可以GC掉
    return oldValue;
}
    //根據下標從數組取值 並強轉
    E elementData(int index) {
        return (E) elementData[index];
    }

//刪除該元素在數組中第一次出現的位置上的數據。 如果有該元素返回true，如果false。
public boolean remove(Object o) {
    if (o == null) {
        for (int index = 0; index < size; index++)
            if (elementData[index] == null) {
                fastRemove(index);//根據index刪除元素
                return true;
            }
    } else {
        for (int index = 0; index < size; index++)
            if (o.equals(elementData[index])) {
                fastRemove(index);
                return true;
            }
    }
    return false;
}
//不會越界 不用判斷 ，也不需要取出該元素。
private void fastRemove(int index) {
    modCount++;//修改modCount
    int numMoved = size - index - 1;//計算要移動的元素數量
    if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                         numMoved);//以複製覆蓋元素 完成刪除
    elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work  //置空 不再強引用
}

//批量刪除
public boolean removeAll(Collection<?> c) {
    Objects.requireNonNull(c);//判空
    return batchRemove(c, false);
}
//批量移動
private boolean batchRemove(Collection<?> c, boolean complement) {
    final Object[] elementData = this.elementData;
    int r = 0, w = 0;//w 代表批量刪除後 數組還剩多少元素
    boolean modified = false;
    try {
        //高效的保存兩個集合公有元素的算法
        for (; r < size; r++)
            if (c.contains(elementData[r]) == complement) // 如果 c裏不包含當前下標元素， 
                elementData[w++] = elementData[r];//則保留
    } finally {
        // Preserve behavioral compatibility with AbstractCollection,
        // even if c.contains() throws.
        if (r != size) { //出現異常會導致 r !=size , 則將出現異常處後面的數據全部複製覆蓋到數組裏。
            System.arraycopy(elementData, r,
                             elementData, w,
                             size - r);
            w += size - r;//修改 w數量
        }
        if (w != size) {//置空數組後面的元素
            // clear to let GC do its work
            for (int i = w; i < size; i++)
                elementData[i] = null;
            modCount += size - w;//修改modCount
            size = w;// 修改size
            modified = true;
        }
    }
    return modified;
}

從這裏我們也可以看出，當用來作爲刪除元素的集合裏的元素多餘被刪除集合時，也沒事，只會刪除它們共同擁有的元素。

小結：
1 刪除操作一定會修改modCount，且可能涉及到數組的複製，相對低效。
2 批量刪除中，涉及高效的保存兩個集合公有元素的算法，可以留意一下。

3 改

不會修改modCount，相對增刪是高效的操作。

public E set(int index, E element) {
    rangeCheck(index);//越界檢查
    E oldValue = elementData(index); //取出元素 
    elementData[index] = element;//覆蓋元素
    return oldValue;//返回元素
}

4 查

不會修改modCount，相對增刪是高效的操作。

public E get(int index) {
    rangeCheck(index);//越界檢查
    return elementData(index); //下標取數據
}
E elementData(int index) {
    return (E) elementData[index];
}

5 清空，clear

會修改modCount。

public void clear() {
    modCount++;//修改modCount
    // clear to let GC do its work
    for (int i = 0; i < size; i++)  //將所有元素置null
        elementData[i] = null;

    size = 0; //修改size 
}

6 包含 contain

//普通的for循環尋找值，只不過會根據目標對象是否爲null分別循環查找。
public boolean contains(Object o) {
    return indexOf(o) >= 0;
}
//普通的for循環尋找值，只不過會根據目標對象是否爲null分別循環查找。
public int indexOf(Object o) {
    if (o == null) {
        for (int i = 0; i < size; i++)
            if (elementData[i]==null)
                return i;
    } else {
        for (int i = 0; i < size; i++)
            if (o.equals(elementData[i]))
                return i;
    }
    return -1;
}

7 判空 isEmpty()

public boolean isEmpty() {
    return size == 0;
}

8 迭代器 Iterator.

public Iterator<E> iterator() {
    return new Itr();
}
/**
 * An optimized version of AbstractList.Itr
 */
private class Itr implements Iterator<E> {
    int cursor;       // index of next element to return //默認是0
    int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such  //上一次返回的元素 (刪除的標誌位)
    int expectedModCount = modCount; //用於判斷集合是否修改過結構的 標誌

    public boolean hasNext() {
        return cursor != size;//遊標是否移動至尾部
    }

    @SuppressWarnings("unchecked")
    public E next() {
        checkForComodification();
        int i = cursor;
        if (i >= size)//判斷是否越界
            throw new NoSuchElementException();
        Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
        if (i >= elementData.length)//再次判斷是否越界，在 我們這裏的操作時，有異步線程修改了List
            throw new ConcurrentModificationException();
        cursor = i + 1;//遊標+1
        return (E) elementData[lastRet = i];//返回元素 ，並設置上一次返回的元素的下標
    }

    public void remove() {//remove 掉 上一次next的元素
        if (lastRet < 0)//先判斷是否next過
            throw new IllegalStateException();
        checkForComodification();//判斷是否修改過

        try {
            ArrayList.this.remove(lastRet);//刪除元素 remove方法內會修改 modCount 所以後面要更新Iterator裏的這個標誌值
            cursor = lastRet; //要刪除的遊標
            lastRet = -1; //不能重複刪除 所以修改刪除的標誌位
            expectedModCount = modCount;//更新 判斷集合是否修改的標誌，
        } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
            throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }
//判斷是否修改過了List的結構，如果有修改，拋出異常
    final void checkForComodification() {
        if (modCount != expectedModCount)
            throw new ConcurrentModificationException();
    }
}

總結

增刪改查中，增導致擴容，則會修改modCount，刪一定會修改。 改和查一定不會修改modCount。
擴容操作會導致數組複製，批量刪除會導致找出兩個集合的交集，以及數組複製操作，因此，增、刪都相對低效。而改、查都是很高效的操作。
因此，結合特點，在使用中，以Android中最常用的展示列表爲例，列表滑動時需要展示每一個Item（element）的數組，所以查操作是最高頻的。相對來說，增操作只有在列表加載更多時纔會用到 ，而且是在列表尾部插入，所以也不需要移動數據的操作。而刪操作則更低頻。故選用ArrayList作爲保存數據的結構。
在面試中還有可能會問到和Vector的區別，我大致看了一下Vector的源碼，內部也是數組做的，區別在於Vector在API上都加了synchronized所以它是線程安全的，以及Vector擴容時，是翻倍size，而ArrayList是擴容50%。

面試必備：ArrayList源碼解析（JDK8）

概述

概要

構造方法

常用API

1 增

2 刪

3 改

4 查

5 清空，clear

6 包含 contain

7 判空 isEmpty()

8 迭代器 Iterator.

總結

公司新來一個幹練小夥，把 MyBatis 替換成 MyBatis-Plus，上線後哭暈在廁所。。。

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