ArrayList 关键源码解析

ArrayList的底层是一个数组实现，其源码位于java.util.ArrayList。以下是ArrayList的关键源码解析：

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1. 定义和初始化：ArrayList使用一个Object类型的数组来存储元素，以及一个size变量来记录当前元素个数。初始容量为10。

private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
private Object[] elementData;
private int size;

这段代码定义了一些关键的成员变量。

1. private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
   这是一个私有的静态常量，表示 ArrayList 的默认初始容量。当没有指定初始容量时，ArrayList 会使用这个默认值。
2. private Object[] elementData;
   这是一个私有的 Object 类型的数组，用于存储 ArrayList 的元素。ArrayList 的底层数据结构就是这个数组。
3. private int size;
   这是一个私有的整型变量，表示 ArrayList 当前包含的元素数量。它记录了实际存储在 elementData 数组中的元素个数。

通过这些成员变量，ArrayList 实现了动态数组的功能。当添加元素时，如果当前元素数量超过了 elementData 数组的长度，ArrayList 就会进行扩容操作，创建一个更大的数组，并将元素从旧数组复制到新数组中。扩容后，elementData 数组的长度会增加。

需要注意的是，elementData 数组的长度可能会大于实际存储的元素数量（size 变量的值）。这是为了避免每次添加或删除元素时都进行数组的调整操作，从而提高性能。

这些成员变量是 ArrayList 实现的重要组成部分，它们在 ArrayList 的各种方法中被使用和更新，以实现元素的添加、删除和查询等功能。

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2. 扩容操作：当元素个数超过当前容量时，会触发扩容操作。默认情况下，扩容为当前容量的1.5倍。使用ensureCapacityInternal方法来确保容量足够。

这几段代码是 ArrayList 类中与数组扩容相关的方法。让我逐个解释这些方法的作用。

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

ensureCapacityInternal 方法用于确保 ArrayList 内部的容量足够存储指定的最小容量 minCapacity。如果 elementData 数组是默认初始容量的空数组（即没有添加过元素），则会将 minCapacity 与默认容量 DEFAULT_CAPACITY 中的较大值进行比较，并将较大值赋给 minCapacity。然后调用 ensureExplicitCapacity 方法来确保容量足够。

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

ensureExplicitCapacity 方法用于确保 elementData 数组的容量至少能够存储 minCapacity 个元素。首先，modCount++ 用于记录 ArrayList 的结构修改次数，以支持迭代器的快速失败机制。然后，通过比较 minCapacity 和 elementData.length 的差值，判断是否需要进行扩容操作。如果差值大于 0，则调用 grow 方法进行扩容。

private void grow(int minCapacity) {
    int oldCapacity = elementData.length;
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

grow 方法用于实际进行数组的扩容操作。首先，获取当前 elementData 数组的长度 oldCapacity。然后，计算新的容量 newCapacity，通过将 oldCapacity 右移一位并加上 oldCapacity 来实现扩容。这里使用位运算右移一位相当于将 oldCapacity 除以 2，因为右移一位等价于除以 2 的整数除法。

接下来，判断 newCapacity 是否小于 minCapacity，如果是，则将 minCapacity 赋给 newCapacity，以确保扩容后的容量不小于 minCapacity。

然后，通过比较 newCapacity 和 MAX_ARRAY_SIZE 的差值，判断是否超过了数组的最大容量限制。如果超过了，则调用 hugeCapacity 方法来获取一个合适的最大容量值。

最后，使用 Arrays.copyOf 方法将 elementData 数组复制到一个新的数组中，并将新数组赋给 elementData，完成扩容操作。

这些方法共同实现了 ArrayList 的动态扩容功能，以确保数组容量能够满足添加元素的需求。

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3. 添加元素：使用add方法来添加元素到ArrayList中。先确保容量足够，然后将元素添加到数组末尾，并更新size。

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

这段代码是 ArrayList 类中的 add 方法，用于向 ArrayList 中添加元素。让我逐行解释这段代码的作用。

add 方法的参数是要添加的元素 e，返回值为布尔类型，表示添加操作是否成功。

首先，调用 ensureCapacityInternal 方法来确保 ArrayList 内部的容量足够存储新元素。size + 1 表示当前元素数量加上要添加的一个元素。ensureCapacityInternal 方法会根据需要进行数组扩容操作，以确保容量足够。

然后，将要添加的元素 e 放入 elementData 数组中的下一个位置，即 elementData[size]。注意，这里使用了后缀自增运算符 size++，先将 size 的值赋给 elementData[size]，然后将 size 的值加 1。

最后，返回 true，表示添加操作成功。

这段代码实现了向 ArrayList 中添加元素的功能。它首先确保容量足够，然后将元素放入数组中，并更新元素数量。

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4. 删除元素：使用remove方法来删除指定位置的元素。通过System.arraycopy方法将删除点之后的元素向前移动，然后更新size。

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; // 清空最后一个位置
    return oldValue;
}

这段代码是 ArrayList 类中的 remove 方法，用于移除指定索引位置的元素。让我逐行解释这段代码的作用。

remove 方法的参数是要移除的元素的索引 index，返回值为被移除的元素。

首先，调用 rangeCheck 方法来检查索引是否越界。如果索引超出了有效范围，会抛出 IndexOutOfBoundsException 异常。

然后，modCount++ 用于记录 ArrayList 的结构修改次数，以支持迭代器的快速失败机制。

接下来，通过调用 elementData(index) 方法获取要移除的元素，并将其赋给 oldValue。

然后，计算需要移动的元素个数 numMoved。size - index - 1 表示从要移除的索引位置开始，到最后一个元素之间的元素个数。

如果有需要移动的元素（即 numMoved > 0），则使用 System.arraycopy 方法将后面的元素向前移动，以填补被移除的元素位置。具体来说，将 elementData 数组中从 index+1 开始的 numMoved 个元素复制到 elementData 数组中从 index 开始的位置。

最后，将 elementData 数组的最后一个位置设置为 null，以清空被移除的元素。

最后，返回被移除的元素 oldValue。

这段代码实现了从 ArrayList 中移除指定索引位置的元素，并将后续元素向前移动的功能。

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5. 获取元素：使用get方法来获取指定位置的元素。直接通过索引访问数组中的元素。

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

这段代码是 ArrayList 类中的 get 方法，用于获取指定索引位置的元素。让我逐行解释这段代码的作用。

get 方法的参数是要获取的元素的索引 index，返回值为对应索引位置的元素。

首先，调用 rangeCheck 方法来检查索引是否越界。如果索引超出了有效范围，会抛出 IndexOutOfBoundsException 异常。

然后，通过调用 elementData(index) 方法获取指定索引位置的元素，并将其返回。

这段代码实现了从 ArrayList 中获取指定索引位置的元素的功能。它首先检查索引的有效性，然后直接通过索引访问 elementData 数组获取对应位置的元素，并将其返回。

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其他方法：ArrayList还提供了一系列其他方法，如set用于替换指定位置的元素，size用于获取元素个数，isEmpty用于判断是否为空，等等。
以上是ArrayList底层实现和源码的简要分析，希望能帮助理解ArrayList的工作原理。