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头图

前言

ArrayList是一种以数组实现的List,与数组相比,它具有动态扩展的能力,因此也可称之为动态数组。

在ArrayList集合里面可以存储任何类型的数据, 而且它是一个顺序容器,存放的数据顺序就是和我们放入的顺序是一致的,而且它还允许我们放入null元素。

继承体系

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{...}
  • ArrayList实现了List,提供了基础的添加、删除、遍历等操作。
  • ArrayList实现了RandomAccess,提供了随机访问的能力。
  • ArrayList实现了Cloneable,可以被克隆。
  • ArrayList实现了Serializable,可以被序列化。

源码解析

属性

/**
 * 默认容量
 */
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

/**
 * 空数组,如果传入的容量为0时使用
 */
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

/**
 * 空数组,传传入容量时使用,添加第一个元素的时候会重新初始为默认容量大小
 */
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

/**
 * 存储元素的数组
 */
transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access

/**
 * 集合中元素的个数
 */
private int size;

(1)DEFAULT_CAPACITY:默认容量为10,也就是通过new ArrayList()创建时的默认容量。

(2)EMPTY_ELEMENTDATA:空的数组,这种是通过new ArrayList(0)创建时用的是这个空数组。

(3)DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA:也是空数组,这种是通过new ArrayList()创建时用的是这个空数组,与EMPTY_ELEMENTDATA的区别是在添加第一个元素时使用这个空数组的会初始化为DEFAULT_CAPACITY(10)个元素。

(4)elementData:真正存放元素的地方。

(5)size:真正存储元素的个数,而不是elementData数组的长度。

为什么ArrayList的elementData数组要加上transient修饰?

由于ArrayList有自动扩容机制,所以ArrayList的elementData数组大小往往比现有的元素数量大,如果不加transient直接序列化的话会把数组中空余的位置也序列化了,浪费不少的空间。

ArrayList中重写了序列化和反序列化对应的writeObjectreadObject方法,在遍历数组元素时,以 size 作为结束标志,只序列化ArrayList中已经存在的元素。

ArrayList(int initialCapacity)构造方法

public ArrayList(int initialCapacity) {
    if (initialCapacity > 0) {
        // 如果传入的初始容量大于0,就新建一个数组存储元素
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
    } else if (initialCapacity == 0) {
        // 如果传入的初始容量等于0,使用空数组EMPTY_ELEMENTDATA
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    } else {
        // 如果传入的初始容量小于0,抛出异常
        throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: " + initialCapacity);
    }
}

ArrayList()构造方法

public ArrayList() {
    // 如果没有传入初始容量,则使用空数组DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
    // 使用这个数组是在添加第一个元素的时候会扩容到默认大小10
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

ArrayList 构造方法

/**
* 把传入集合的元素初始化到ArrayList中
*/
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
    // 集合转数组
    elementData = c.toArray();
    if ((size = elementData.length) != 0) {
        // 检查c.toArray()返回的是不是Object[]类型,如果不是,重新拷贝成Object[].class类型
        if (elementData.getClass() != Object[].class)
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
    } else {
        // 如果c的空集合,则初始化为空数组EMPTY_ELEMENTDATA
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
}

add(E e)方法

添加元素到末尾,平均时间复杂度为O(1)。

public boolean add(E e) {
    // 检查是否需要扩容
    ensureCapacityInternal(size + 1);
    // 把元素插入到最后一位
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}

private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
    // 如果是空数组DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA,就初始化为默认大小10
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    return minCapacity;
}

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

    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        // 扩容
        grow(minCapacity);
}

private void grow(int minCapacity) {
    int oldCapacity = elementData.length;
    // 新容量为旧容量的1.5倍
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    // 如果新容量发现比需要的容量还小,则以需要的容量为准
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    // 如果新容量已经超过最大容量了,则使用最大容量
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    // 以新容量拷贝出来一个新数组
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

add(int index, E element)方法

添加元素到指定位置,平均时间复杂度为O(n)。

public void add(int index, E element) {
    // 检查是否越界
    rangeCheckForAdd(index);
    // 检查是否需要扩容
    ensureCapacityInternal(size + 1);
    // 将inex及其之后的元素往后挪一位,则index位置处就空出来了
    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                     size - index);
    // 将元素插入到index的位置
    elementData[index] = element;
    // 大小增1
    size++;
}

private void rangeCheckForAdd(int index) {
    if (index > size || index < 0)
        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
ArrayList在新增的时候为什么慢?

通过以上的源码,我们可以看出ArrayList有指定index新增,也有直接新增的,在这之前他会有一步校验长度的判断ensureCapacityInternal,就是说如果长度不够,是需要扩容的。

在扩容的时候,老版本的jdk和8以后的版本是有区别的,8之后的效率更高了,采用了位运算,右移一位,其实就是除以2这个操作。int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);新增后的数组容量是旧数组容量的1.5倍。

指定位置新增的时候,在校验之后的操作很简单,就是数组的copy,System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index);,为了更好的解释,这里画个图,如下:

比如有下面这样一个数组我需要在index 4 的位置去新增一个元素 a

image-20220210143840488

从代码里面我们可以看到,它复制了一个数组,是从index 4 的位置开始的,然后把它放在了index 4+1 的位置

给我们要新增的元素腾出了位置,然后在index的位置放入元素a就完成了新增的操作了。

image-20220210144404415

这只是在一个这么小的List里面操作,要是我去一个几百几千几万大小的List新增一个元素,那就需要后面所有的元素都复制,然后如果再涉及到扩容啥的就更慢了不是嘛。

addAll 方法

求两个集合的并集。

/**
* 将集合c中所有元素添加到当前ArrayList中
*/
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
    // 将集合c转为数组
    Object[] a = c.toArray();
    int numNew = a.length;
    // 检查是否需要扩容
    ensureCapacityInternal(size + numNew);
    // 将c中元素全部拷贝到数组的最后
    System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
    // 大小增加c的大小
    size += numNew;
    // 如果c不为空就返回true,否则返回false
    return numNew != 0;
}

get(int index)方法

获取指定索引位置的元素,时间复杂度为O(1)。

public E get(int index) {
    // 检查是否越界
    rangeCheck(index);
    // 返回数组index位置的元素
    return elementData(index);
}

private void rangeCheck(int index) {
    if (index >= size)
        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}

E elementData(int index) {
    return (E) elementData[index];
}

(1)检查索引是否越界,这里只检查是否越上界,如果越上界抛出IndexOutOfBoundsException异常,如果越下界抛出的是ArrayIndexOutOfBoundsException异常。

(2)返回索引位置处的元素;

remove(int index)方法

删除指定索引位置的元素,时间复杂度为O(n)。

public E remove(int index) {
    // 检查是否越界
    rangeCheck(index);

    modCount++;
    // 获取index位置的元素
    E oldValue = elementData(index);

    // 如果index不是最后一位,则将index之后的元素往前挪一位
    int numMoved = size - index - 1;
    if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);

    // 将最后一个元素删除,帮助GC
    elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work

    // 返回旧值
    return oldValue;
}

remove(Object o)方法

删除指定元素值的元素,时间复杂度为O(n)。

public boolean remove(Object o) {
    if (o == null) {
        // 遍历整个数组,找到元素第一次出现的位置,并将其快速删除
        for (int index = 0; index < size; index++)
            // 如果要删除的元素为null,则以null进行比较,使用==
            if (elementData[index] == null) {
                fastRemove(index);
                return true;
            }
    } else {
        // 遍历整个数组,找到元素第一次出现的位置,并将其快速删除
        for (int index = 0; index < size; index++)
            // 如果要删除的元素不为null,则进行比较,使用equals()方法
            if (o.equals(elementData[index])) {
                fastRemove(index);
                return true;
            }
    }
    return false;
}

private void fastRemove(int index) {
    // 少了一个越界的检查
    modCount++;
    // 如果index不是最后一位,则将index之后的元素往前挪一位
    int numMoved = size - index - 1;
    if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
    // 将最后一个元素删除,帮助GC
    elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
}

(1)找到第一个等于指定元素值的元素;

(2)快速删除,fastRemove(int index)相对于remove(int index)少了检查索引越界的操作。

retainAll方法

求两个集合的交集。

public boolean retainAll(Collection<?> c) {
    // 集合c不能为null
    Objects.requireNonNull(c);
    // 调用批量删除方法,这时complement传入true,表示删除不包含在c中的元素
    return batchRemove(c, true);
}

/**
* 批量删除元素
* complement为true表示删除c中不包含的元素
* complement为false表示删除c中包含的元素
*/
private boolean batchRemove(Collection<?> c, boolean complement) {
    final Object[] elementData = this.elementData;
    // 使用读写两个指针同时遍历数组
    // 读指针每次自增1,写指针放入元素的时候才加1
    // 这样不需要额外的空间,只需要在原有的数组上操作就可以了
    int r = 0, w = 0;
    boolean modified = false;
    try {
        // 遍历整个数组,如果c中包含该元素,则把该元素放到写指针的位置(以complement为准)
        for (; r < size; r++)
            if (c.contains(elementData[r]) == complement)
                elementData[w++] = elementData[r];
    } finally {
        // 正常来说r最后是等于size的,除非c.contains()抛出了异常
        if (r != size) {
            // 如果c.contains()抛出了异常,则把未读的元素都拷贝到写指针之后
            System.arraycopy(elementData, r,
                             elementData, w,
                             size - r);
            w += size - r;
        }
        if (w != size) {
            // 将写指针之后的元素置为空,帮助GC
            for (int i = w; i < size; i++)
                elementData[i] = null;
            modCount += size - w;
            // 新大小等于写指针的位置(因为每写一次写指针就加1,所以新大小正好等于写指针的位置)
            size = w;
            modified = true;
        }
    }
    // 有修改返回true
    return modified;
}

(1)遍历elementData数组;

(2)如果元素在 c 中,则把这个元素添加到 elementData 数组的 w 位置并将 w 位置往后移一位;

(3)遍历完之后,w 之前的元素都是两者共有的,w 之后(包含)的元素不是两者共有的;

(4)将 w 之后(包含)的元素置为null,方便 GC 回收;

removeAll

求两个集合的单方向差集,只保留当前集合中不在c中的元素,不保留在c中不在当前集体中的元素。

public boolean removeAll(Collection<?> c) {
    // 集合c不能为空
    Objects.requireNonNull(c);
    // 同样调用批量删除方法,这时complement传入false,表示删除包含在c中的元素
    return batchRemove(c, false);
}

retainAll(Collection<?> c)方法类似,只是这里保留的是不在c中的元素。

总结

(1)ArrayList内部使用数组存储元素,扩容时,每次加一半的空间,ArrayList不会进行缩容。

(2)ArrayList支持随机访问,通过索引访问元素极快,时间复杂度为O(1)。

(3)ArrayList添加元素到尾部极快,平均时间复杂度为O(1)。

(4)ArrayList添加元素到中间比较慢,因为要搬移元素,平均时间复杂度为O(n)。

(5)ArrayList从尾部删除元素极快,时间复杂度为O(1)。

(6)ArrayList从中间删除元素比较慢,因为要搬移元素,平均时间复杂度为O(n)。

(7)ArrayList支持求并集,调用addAll(Collection<? extends E> c)方法即可。

(8)ArrayList支持求交集,调用retainAll(Collection<? extends E> c)方法即可。

(7)ArrayList支持求单向差集,调用removeAll(Collection<? extends E> c)方法即可。


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