聊聊Java集合框架的ArrayList

其实 Java 集合框架也叫做容器，主要由两大接口派生而来，一个是 collection,主要存放对象的集合。另外一个是Map, 存储着键值对（两个对象）的映射表。

下面就来说说 List接口，List存储的元素是有序、可重复的。其下有三个子接口，ArrayList、LinkedList 和 vector。

一、 ArrayList概述

ArrayList 底层数据结构是基于 Object 数组来实现的，我们看看它的底层接口源码：

1. ArrayList 实现的接口

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable

其中继承的接口中的 RandomAccess、Cloneable 和 Serializable 只是标记接口，他们的接口内部没有具体的方法和参数：

public interface RandomAccess {
   
   } 
public interface Cloneable {
   
   }    //覆盖clone(),能被克隆
public interface Serializable {
   
   } //支持序列化，能通过序列化传输

标记接口是计算机科学中的一种设计思路。编程语言本身不支持为类维护元数据。而标记接口则弥补了这个功能上的缺失——一个类实现某个没有任何方法的标记接口，实际上标记接口从某种意义上说就成为了这个类的元数据之一。运行时，通过编程语言的反射机制，我们就可以在代码里拿到这种元数据。

以Serializable接口为例。一个类实现了这个接口，说明它可以被序列化。因此，我们实际上通过Serializable这个接口，给该类标记了“可被序列化”的元数据，打上了“可被序列化”的标签。这也是标记/标签接口名字的由来。

此外AbstractList 继承AbstractCollection 抽象类，实现List接口。它实现了 List 的一些基本操作如（get,set,add,remove）,是第一实现随机访问方法的集合类，但是不支持添加和替换。

2.ArrayList 的成员属性

private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10; //默认初始容量为10 
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {
   
   }; //空数组，用于空实例
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {
   
   };//用于默认大小空实例的共享空数组实例。
transient Object[] elementData; //保存ArrayList数据的数组，transient修饰表示数组默认不会被序列化
private int size; //ArrayList中数组的个数

二、ArrayList 中的方法

Java ArrayList 中常用的方法：

具体的方法细节可以看这里

三、ArrayList 中的扩容机制

在初始化时，ArrayList 有三种方式来进行初始化，以无参构造方法创建 ArrayList 时，实际上赋值的是一个空数组。当真正对数组进行添加元素时，才真正的给 ArrayList 分配容量，即数组容量扩为10。

/**
     *默认构造函数，使用初始容量10构造一个空列表(无参数构造)
     */
public ArrayList() {
   
   
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
/**
     * 带初始容量参数的构造函数。（用户自己指定容量）
     */
public ArrayList(int initialCapacity) {
   
   
    if (initialCapacity > 0) {
   
   //初始容量大于0
        //创建initialCapacity大小的数组
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
    } else if (initialCapacity == 0) {
   
   //初始容量等于0
        //创建空数组
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    } else {
   
   //初始容量小于0，抛出异常
        throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                           initialCapacity);
    }
}


/**
    *构造包含指定collection元素的列表，这些元素利用该集合的迭代器按顺序返回
    *如果指定的集合为null，throws NullPointerException。
    */
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;
    }
}

/**
     * 将指定的元素追加到此数组的末尾。
     */
public boolean add(E e) {
   
   
    //在增加元素前，先调用ensureCapacityInternal方法
    ensureCapacityInternal(size + 1);  
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
   
   
    //比较当前元素个数和默认元素个数，如果小于10，则将最小容量设为默认值10
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
   
   
        minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    //继续调用 ensureExplicitCapacity()方法
    ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
   
   
    modCount++;
    // overflow-conscious code
    //如果大于当前数组默认长度，则进行扩容，调用grow()方法
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);
}
/**
     * 要分配的最大数组大小
     */
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

private void grow(int minCapacity) {
   
   
    // overflow-conscious code
    int oldCapacity = elementData.length;
    //在以前的容量基础上增加旧容量的1/2
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    //检查比较新容量与最小容量的大小，取大值
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    //更新完新容量后，比较是否大于最大数组大小 Integer.MAX_VALUE - 8
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        //若大于最大数组大小，则调用hugeCapacity()方法
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
   
   
    if (minCapacity < 0) // overflow
        throw new OutOfMemoryError();
    //对minCapacity和MAX_ARRAY_SIZE进行比较
    //若minCapacity大，将Integer.MAX_VALUE作为新数组的大小
    //若MAX_ARRAY_SIZE大，将MAX_ARRAY_SIZE作为新数组的大小
    //MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
    return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
        Integer.MAX_VALUE :
    MAX_ARRAY_SIZE;
}

四、ArrayList 相关面试题

1. System.arraycopy() 和 Arrays.copyOf() 的区别

联系：

看两者源代码可以发现 copyOf()内部实际调用了 System.arraycopy() 方法

区别：

arraycopy() 需要目标数组，将原数组拷贝到你自己定义的数组里或者原数组，而且可以选择拷贝的起点和长度以及放入新数组中的位置 copyOf() 是系统自动在内部新建一个数组，并返回该数组。

2. ArrayList 和 LinkedList 的区别

1. 是否保证线程安全： ArrayList 和 LinkedList 都是不同步的，也就是不保证线程安全；
2. 底层数据结构： Arraylist 底层使用的是 Object 数组；LinkedList 底层使用的是 双向链表 数据结构（JDK1.6 之前为循环链表，JDK1.7 取消了循环。注意双向链表和双向循环链表的区别，下面有介绍到！）
3. 插入和删除是否受元素位置的影响： ① ArrayList 采用数组存储，所以插入和删除元素的时间复杂度受元素位置的影响。 比如：执行add(E e)方法的时候， ArrayList 会默认在将指定的元素追加到此列表的末尾，这种情况时间复杂度就是 O(1)。但是如果要在指定位置 i 插入和删除元素的话（add(int index, E element)）时间复杂度就为 O(n-i)。因为在进行上述操作的时候集合中第 i 和第 i 个元素之后的(n-i)个元素都要执行向后位/向前移一位的操作。 ② LinkedList 采用链表存储，所以对于add(E e)方法的插入，删除元素时间复杂度不受元素位置的影响，近似 O(1)，如果是要在指定位置i插入和删除元素的话（(add(int index, E element)） 时间复杂度近似为o(n))因为需要先移动到指定位置再插入。
4. 是否支持快速随机访问： LinkedList 不支持高效的随机元素访问，而 ArrayList 支持。快速随机访问就是通过元素的序号快速获取元素对象(对应于get(int index)方法)。
5. 内存空间占用： ArrayList 的空 间浪费主要体现在在 list 列表的结尾会预留一定的容量空间，而 LinkedList 的空间花费则体现在它的每一个元素都需要消耗比 ArrayList 更多的空间（因为要存放直接后继和直接前驱以及数据）。

3. ArrayList 和 Vector 的区别

1. ArrayList 是 List 的主要实现类，底层使用 Object[ ]存储，适用于频繁的查找工作，线程不安全 ；
2. Vector 是 List 的古老实现类，底层使用 Object[ ]存储，线程安全的。如下代码带有 synchronized 同步锁，能够保证线程安全。

public synchronized void ensureCapacity(int minCapacity) {
   
   
    if (minCapacity > 0) {
   
   
        modCount++;
        ensureCapacityHelper(minCapacity);
    }
}

4. ArrayList 和 CopyOnWriteArrayList 的区别

CopyOnWriteArrayList 和 Vector 一样也是线程安全的 List 。它在 java.util.concurrent 的包下。它的线程安全主要是通过读写分离来实现的。写操作在一个复制的数组上实现（加锁），读操作还是在原数组中进行。

public boolean add(E e) {
   
   
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
   
   
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        newElements[len] = e;
        setArray(newElements);
        return true;
    } finally {
   
   
        lock.unlock();
    }
}

final void setArray(Object[] a) {
   
   
    array = a;
}

特点：适合读多写少的应用场景

缺点：

• 内存占用：在写操作时需要复制一个新的数组，使得内存占用为原来的两倍左右；
• 数据不一致：读操作不能读取实时性的数据，因为部分写操作的数据还未同步到读数组中；

  五、参考资料

ArrayList 扩容机制分析

Java ArrayList