ArrayList原理底层是如何实现的
你每天都在用的ArrayList,你真的了解它吗?关于Java的ArrayList懂多少??？
文章目录
- ArrayList原理底层是如何实现的
- 1.为什么需要ArrayList？
- 2. ArrayList底层是如何实现的？
- 3. 结合源码分析主要成员变量
- 4.ArrayList扩容机制
- 1.先从 ArrayList 的构造函数说起
- 2.一步一步分析 ArrayList 扩容机制
- 3.再来看看 ensureCapacityInternal() 方法
- 4.ensureExplicitCapacity() 方法
- 5.hugeCapacity() 方法
- 6.ensureCapacity方法
- 5. 个人的一点总结
1.为什么需要ArrayList？
在java基础入门阶段学习基本数据结构,之后有学习了复杂数据结构list, map ,set,tree等(都是对象).我们先来回顾一下数组，数组可以存储多个对象的实例或者基本类型的具体值，数组存储的特点如下：
> 只能存储同种类型的数据。
> 在定义数组时，必须指定该数组的大小，并且在不改变数组的前提下，不可修改其长度。以上特性就会导致很多弊端。比如：我们往往不希望数组只能存储一种数据，而是希望存储我们想要存储的数据，最好是在想要存储的时候根据数据的类型指定存储的类型。其次，我们也不想一开始就指定好数据的长度，而是希望这个数组的容量可以随着我的数据的多少的改变而改变。
基于以上的弊端，Java中出现了集合。这是一种新的容器可以用来存储数据，而集合的存储方式有多种，常见的有链式存储（LinkedList）和顺序存储（ArrayList）。
链式存储底层是用一个个节点（Node）链接而成的，每个节点都存储着一个对象值和下一个节点的位置（或上一个节点的位置）。
顺序存储底层是用一个数组存储数据的，对于数组的弊端，顺序存储集合底层使用了ensureCapacity(汉译:确保容量)这个方法不断扩容。顾名思义，由于底层是一个数组，当我们存入一个对象时，我们需要保证数组是有空余位置的，因此在添加元素的时候，Java源码会先经过这个方法进行判断底层数组是否满了[ArrayList的扩容是原来的1.5倍()扩容因子是1.5,map也有扩容因子,想了解的同学可以去了解]，若满了则会扩容数组（上面提到数组是不能直接扩容的，这里实际上是重新创建了一个更大空间的数组并把元素“搬运”过去）。这样就解决了数组的一个弊端。而对于另一个弊端，Java则是巧妙的运用了泛型。泛型的内容非常繁多，这里结合实例希望大家可以更好的理解。
想象一下现在有一个需求，需要你实现一个的多值加法，但传入的参数的类型是不确定的，可以有Integer，String，Double等等。这时候如果你用的是数组作为参数，那么那你肯定会想，最粗糙的方法是分别写多个加法方法，对应不同的类型，但很明显，代码可读性极差，那如果使用Object数组，然后再根据数据类型，转换为对应的类型再计算？这样也存在弊端！你根本不知道需要转换为什么类型才合适。因此，针对这种情况，使用泛型集合是最合适的，我们只需要在传入参数的时候使用泛型类型，而因为不同类型计算的过程是一致的，因此结果并没有差别，也不会导致报错。2. ArrayList底层是如何实现的？
简单介绍了ArrayList的用途以及和数组的区别，那么根据上面的讲解，你应该大致了解它的实现原理了吧！
先不看源码，如果你有一些数据结构与算法的基础的话，你应该可以马上得出下面结论：先在ArrayList类定义一个数组，接着定义一个添加，一个删除，一个查询，一个修改方法。实际上是对数组的操作，那么，删除和添加可能需要移动大量的元素，这些都是在源码中实现，但对应到效率也会很低，其次还需要一个扩容数组的方法。
如果你能想到上面这些，恭喜你，你已经掌握的很不错。事实上，ArrayList的源码确实包含以上方法，只不过还需要加上迭代器以及构造方法等。迭代器的出现是为了适应增强for语句（后面会细说），构造方法是为了初始化集合。
3. 结合源码分析主要成员变量
ArrayList继承AbstractList这个抽象类和List接口
List接口继承Collection接口（实际上集合还有map集合等)
而Collection则是继承了Iterable（可迭代的），Collection中包含了集合中通用的方法，包括增删改查，只不过都未实现。而Iterable则是只有一个forEach方法，提供迭代。
接着我们回到ArrayList类，这是底层维护的数组，实际上对象存储的地方,size记录集合的长度
- 返回集合的长度
size()方法 - 判断集合是否为空
isEmpty() - 根据索引获取元素
get() - 添加元素
add() - 添加元素到指定位置
add(int index, E element) - 删除元素
remove() - 内部类的next方法实现迭代功能（我们平时使用增强for语句的判断条件就是根据判断是否有next值来实现的)
4.ArrayList扩容机制
1.先从 ArrayList 的构造函数说起
- ArrayList有三种方式来初始化，构造方法源码如下：
/**
* 默认初始容量大小
*/
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/**
*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;
}
}细心的同学一定会发现 ：以无参数构造方法创建 ArrayList 时，实际上初始化赋值的是一个空数组。当真正对数组进行添加元素操作时，才真正分配容量。即向数组中添加第一个元素时，数组容量扩为10。 下面在我们分析 ArrayList 扩容时会讲到这一点内容
2.一步一步分析 ArrayList 扩容机制
- 这里以无参构造函数创建的 ArrayList 为例分析：
1、先来看 add 方法
1 /**
2 * 将指定的元素追加到此列表的末尾。
3 */
4 public boolean add(E e) {
5 //添加元素之前，先调用ensureCapacityInternal方法
6 ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
7 //这里看到ArrayList添加元素的实质就相当于为数组赋值
8 elementData[size++] = e;
9 return true;
10 }3.再来看看 ensureCapacityInternal() 方法
可以看到 add 方法 首先调用了ensureCapacityInternal(size + 1)
//得到最小扩容量
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
// 获取默认的容量和传入参数的较大值
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}当 要 add 进第1个元素时，minCapacity为1，在Math.max()方法比较后，minCapacity 为10。
4.ensureExplicitCapacity() 方法
如果调用 ensureCapacityInternal() 方法就一定会进过（执行）这个方法，下面我们来研究一下这个方法的源码！
//判断是否需要扩容
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
modCount++;
// overflow-conscious code
if (minCapacity - elementData.length > 0)
//调用grow方法进行扩容，调用此方法代表已经开始扩容了
grow(minCapacity);
}我们来仔细分析一下：
- 当我们要 add 进第1个元素到 ArrayList 时，elementData.length 为0 （因为还是一个空的 list），因为执行了 ensureCapacityInternal() 方法 ，所以 minCapacity 此时为10。此时，minCapacity - elementData.length > 0 成立，所以会进入 grow(minCapacity) 方法。
- 当add第2个元素时，minCapacity 为2，此时e lementData.length(容量)在添加第一个元素后扩容成 10 了。此时，minCapacity - elementData.length > 0 不成立，所以不会进入 （执行）grow(minCapacity) 方法。
- 添加第3、4···到第10个元素时，依然不会执行grow方法，数组容量都为10。
直到添加第11个元素，minCapacity(为11)比elementData.length（为10）要大。进入grow方法进行扩容。
grow() 方法
/**
* 要分配的最大数组大小
*/
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
/**
* ArrayList扩容的核心方法。
*/
private void grow(int minCapacity) {
// oldCapacity为旧容量，newCapacity为新容量
int oldCapacity = elementData.length;
//将oldCapacity 右移一位，其效果相当于oldCapacity /2，
//我们知道位运算的速度远远快于整除运算，整句运算式的结果就是将新容量更新为旧容量的1.5倍，
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
//然后检查新容量是否大于最小需要容量，若还是小于最小需要容量，那么就把最小需要容量当作数组的新容量，
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
// 如果新容量大于 MAX_ARRAY_SIZE,进入(执行) `hugeCapacity()` 方法来比较 minCapacity 和 MAX_ARRAY_SIZE，
//如果minCapacity大于最大容量，则新容量则为`Integer.MAX_VALUE`，否则，新容量大小则为 MAX_ARRAY_SIZE 即为 `Integer.MAX_VALUE - 8`。
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);
}int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1),所以 ArrayList 每次扩容之后容量都会变为原来的 1.5 倍左右（oldCapacity为偶数就是1.5倍，否则是1.5倍左右）！ 奇偶不同，比如 ：10+10/2 = 15, 33+33/2=49。如果是奇数的话会丢掉小数.
我们再来通过例子探究一下grow() 方法 ：
- 当add第1个元素时，oldCapacity 为0，经比较后第一个if判断成立，newCapacity = minCapacity(为10)。但是第二个if判断不会成立，即newCapacity 不比 MAX_ARRAY_SIZE大，则不会进入 hugeCapacity 方法。数组容量为10，add方法中 return true,size增为1。
- 当add第11个元素进入grow方法时，newCapacity为15，比minCapacity（为11）大，第一个if判断不成立。新容量没有大于数组最大size，不会进入hugeCapacity方法。数组容量扩为15，add方法中return true,size增为11。
- 以此类推······
这里补充一点比较重要，但是容易被忽视掉的知识点：
①java 中的 length 属性是针对数组说的,比如说你声明了一个数组,想知道这个数组的长度则用到了 length 这个属性.
②java 中的 length() 方法是针对字符串说的,如果想看这个字符串的长度则用到 length() 这个方法.
③java 中的 size() 方法是针对泛型集合说的,如果想看这个泛型有多少个元素,就调用此方法来查看!
5.hugeCapacity() 方法
从上面 grow() 方法源码我们知道： 如果新容量大于 MAX_ARRAY_SIZE,进入(执行) hugeCapacity() 方法来比较 minCapacity 和 MAX_ARRAY_SIZE，如果minCapacity大于最大容量，则新容量则为Integer.MAX_VALUE，否则，新容量大小则为 MAX_ARRAY_SIZE 即为 Integer.MAX_VALUE - 8。
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;
}6.ensureCapacity方法
ArrayList 源码中有一个 ensureCapacity 方法不知道大家注意到没有，这个方法 ArrayList 内部没有被调用过，所以很显然是提供给用户调用的，那么这个方法有什么作用呢？
/** 如有必要，增加此 ArrayList 实例的容量，以确保它至少可以容纳由minimum capacity参数指定的元素数。 * * @param minCapacity 所需的最小容量 */ public void ensureCapacity(int minCapacity) { int minExpand = (elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) // any size if not default element table ? 0 // larger than default for default empty table. It's already // supposed to be at default size. : DEFAULT_CAPACITY; if (minCapacity > minExpand) { ensureExplicitCapacity(minCapacity); } }最好在 add 大量元素之前用 ensureCapacity 方法，以减少增量重新分配的次数，我们通过下面的代码实际测试以下这个方法的效果：
public class EnsureCapacityTest { public static void main(String[] args) { ArrayList<Object> list = new ArrayList<Object>(); final int N = 10000000; long startTime = System.currentTimeMillis(); for (int i = 0; i < N; i++) { list.add(i); } long endTime = System.currentTimeMillis(); System.out.println("使用ensureCapacity方法前："+(endTime - startTime)); }}//运行结果//使用ensureCapacity方法前：2158public class EnsureCapacityTest { public static void main(String[] args) { ArrayList<Object> list = new ArrayList<Object>(); final int N = 10000000; list = new ArrayList<Object>(); long startTime1 = System.currentTimeMillis(); list.ensureCapacity(N); for (int i = 0; i < N; i++) { list.add(i); } long endTime1 = System.currentTimeMillis(); System.out.println("使用ensureCapacity方法后："+(endTime1 - startTime1)); }}// 运行结果// 使用ensureCapacity方法后：1773通过运行结果，我们可以看出向 ArrayList 添加大量元素之前最好先使用ensureCapacity 方法，以减少增量重新分配的次数。
5. 个人的一点总结
Java的设计者很巧妙的设计了Java中的每个功能，很多时候，我们会觉得说我手动实现简单的集合不需要这么复杂的代码呀？甚至有些功能都不需要单独作为一个方法。但这就是Java的魅力啊！
以前刚学代码的我们，把代码全都丢到main方法里面，我们会觉得提取出来是多么复杂，但当我们知道功能是有区别的，我们才知道这样子做的用处。
曾经有个老师这么对我说，他说你知道为什么我们要费尽心思去设计各种类之间的关系，接口，抽象类，泛型等等吗？那时候的我一脸茫然，他对我说，打个比方，你见过卖水果的店里还卖手机的吗？我听完后恍然大悟，对于一个小城镇，确实可能存在一个小店卖着各种杂七杂八的东西，但一个千万人口的大城市，是做不到的，这是格局啊！各种功能，各种设施都应该井井有条，关系明确。面向对象也好，设计模式也好，一切的功能都是为了大型程序做准备，这也是为什么Java一直可以大型应用的后端程序语言之一。
