吃透Java集合系列三：ArrayList

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前言

本篇作为吃透Java集合系列第三篇，我们来看一下ArrayList，通过本篇我们要明白如下问题：
1、ArrayList扩容机制
2、ArrayList迭代器实现
3、fail-fast机制
4、ArrayList序列化反序列化机制
5、ArrayList clone实现

ArrayList内部是使用动态数组实现的，换句话说，ArrayList封装了对内部数组的操作，比如向数组中添加、删除、插入新的元素或者数据的扩展和重定向。

  • 继承了AbstractList,此类提供 List 接口的骨干实现，以最大限度地减少实现”随机访问”数据存储（如数组）支持的该接口所需的工作.对于连续的访问数据（如链表），应优先使用 AbstractSequentialList，而不是此类。
  • 实现了List接口,意味着ArrayList元素是有序的,可以重复的,可以有null元素的集合.
  • 实现了RandomAccess接口标识着其支持随机快速访问,实际上,我们查看RandomAccess源码可以看到,其实里面什么都没有定义.因为ArrayList底层是数组,那么随机快速访问是理所当然的,访问速度O(1)。
  • 实现了Cloneable接口,标识着可以它可以被复制.注意,ArrayList里面的clone()复制其实是浅复制。
  • 实现了Serializable 标识着集合可被序列化。

一：ArrayList扩容机制

初始化：
ArrayList提供了三个构造函数来对elementData数组初始化：
无参构造函数：初始化一个空的数组，添加元素时再对数组elementData扩容。
指定容量的构造函数：直接初始化数组为指定的大小。
带有一个集合参数的构造函数：把指定集合中的数据通过Arrays.copyOf拷贝到elementData中，容量和指定集合容量相同。

private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
transient Object[] elementData;
//无参构造函数直接赋值一个空的数组
 public ArrayList() {
        super();
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
//指定大小的构造函数
public ArrayList(int initialCapacity) {
        super();
        if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                               initialCapacity);
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
    }
//构造一个包含指定*集合的元素的列表。
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
        elementData = c.toArray();
        size = elementData.length;
        // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
        if (elementData.getClass() != Object[].class)
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
    }

扩容：
添加元素时使用 ensureCapacityInternal() 方法来保证容量足够，如果不够时，需要使用 grow() 方法进行扩容，新容量的大小为 oldCapacity + (oldCapacity >> 1)，也就是旧容量的 1.5 倍。

扩容操作需要调用 Arrays.copyOf() 把原数组整个复制到新数组中，这个操作代价很高，因此最好在创建 ArrayList 对象时就指定大概的容量大小，减少扩容操作的次数。

public boolean add(E e) {
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        if (elementData == EMPTY_ELEMENTDATA) {
            minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }

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

        // overflow-conscious code
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
    }
private void grow(int minCapacity) {
        // overflow-conscious code
        int oldCapacity = elementData.length;
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            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);
    }
private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
        if (minCapacity < 0) // overflow
            throw new OutOfMemoryError();
        return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
            Integer.MAX_VALUE :
            MAX_ARRAY_SIZE;
    }

二：ArrayList迭代器实现

如果对Iterable和Iterator接口不是很清楚的，请先移步到第一篇文章：
吃透Java集合系列一：Iterable和Iterator
 ArrayList通过内部类实现Iterator接口来实例化迭代器类，通过Iterator我们可以实现对elementData中的元素迭代遍历。而ArrayList又实现了一种功能更为强大的ListIterator来实现迭代遍历。ListIterator继承于Iterator接口，对Iterator接口做了扩展，支持向前向后遍历、迭代过程中去修改集合等

private class Itr implements Iterator<E> {
        int cursor;       // index of next element to return
        int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such
        int expectedModCount = modCount;

        public boolean hasNext() {
            return cursor != size;
        }

        @SuppressWarnings("unchecked")
        public E next() {
            checkForComodification();
            int i = cursor;
            if (i >= size)
                throw new NoSuchElementException();
            Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
            if (i >= elementData.length)
                throw new ConcurrentModificationException();
            cursor = i + 1;
            return (E) elementData[lastRet = i];
        }

        public void remove() {
            if (lastRet < 0)
                throw new IllegalStateException();
            checkForComodification();

            try {
                ArrayList.this.remove(lastRet);
                cursor = lastRet;
                lastRet = -1;
                expectedModCount = modCount;
            } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
                throw new ConcurrentModificationException();
            }
        }

        @Override
        @SuppressWarnings("unchecked")
        public void forEachRemaining(Consumer<? super E> consumer) {
            Objects.requireNonNull(consumer);
            final int size = ArrayList.this.size;
            int i = cursor;
            if (i >= size) {
                return;
            }
            final Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
            if (i >= elementData.length) {
                throw new ConcurrentModificationException();
            }
            while (i != size && modCount == expectedModCount) {
                consumer.accept((E) elementData[i++]);
            }
            // update once at end of iteration to reduce heap write traffic
            cursor = i;
            lastRet = i - 1;
            checkForComodification();
        }

        final void checkForComodification() {
            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }

private class ListItr extends Itr implements ListIterator<E> {
        ListItr(int index) {
            super();
            cursor = index;
        }

        public boolean hasPrevious() {
            return cursor != 0;
        }

        public int nextIndex() {
            return cursor;
        }

        public int previousIndex() {
            return cursor - 1;
        }

        @SuppressWarnings("unchecked")
        public E previous() {
            checkForComodification();
            int i = cursor - 1;
            if (i < 0)
                throw new NoSuchElementException();
            Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
            if (i >= elementData.length)
                throw new ConcurrentModificationException();
            cursor = i;
            return (E) elementData[lastRet = i];
        }

        public void set(E e) {
            if (lastRet < 0)
                throw new IllegalStateException();
            checkForComodification();

            try {
                ArrayList.this.set(lastRet, e);
            } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
                throw new ConcurrentModificationException();
            }
        }

        public void add(E e) {
            checkForComodification();

            try {
                int i = cursor;
                ArrayList.this.add(i, e);
                cursor = i + 1;
                lastRet = -1;
                expectedModCount = modCount;
            } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
                throw new ConcurrentModificationException();
            }
        }
    }

三： Fail-Fast机制

modCount 用来记录 ArrayList 结构发生变化的次数。结构发生变化是指添加或者删除至少一个元素的所有操作，或者是调整内部数组的大小，仅仅只是设置元素的值不算结构发生变化。

在进行序列化或者迭代等操作时，需要比较操作前后 modCount 是否改变，如果改变了需要抛出 ConcurrentModificationException。如下例子

public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list = new ArrayList<>(Arrays.asList(1, 2, 3));
        Iterator<Integer> iterator = list.listIterator();
        while (iterator.hasNext()) {
            Integer i = iterator.next();
            if (i == 1) {
                list.remove(i);
            }
        }
    }

运行后会抛出异常：

Exception in thread "main" java.util.ConcurrentModificationException
    at java.util.ArrayList$Itr.checkForComodification(ArrayList.java:886)
    at java.util.ArrayList$Itr.next(ArrayList.java:836)
    at MyTest.main(MyTest.java:12)

当我们调用list.remove的方法来删除元素后，此时modCount会+1，导致modCount和迭代器里面的expectedModCount 不相等，当遍历下一个元素调用next方法时，会先调用checkForComodification()方法，当expectedModCount！=modCount时会抛出ConcurrentModificationException，这就是Fail-Fast机制。

那我们要如何避免此问题呢？Iterator已经为我们提供了remove方法，所以我们只需要调用迭代器里面的remove方法就可以了，Iterator中的remove方法移除元素后会把modCount重写赋值给expectedModCount，下一个循环时expectedModCount与modCount相等就避免此问题。如下例子：

public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list = new ArrayList<>(Arrays.asList(1, 2, 3));
        Iterator<Integer> iterator = list.listIterator();
        while (iterator.hasNext()) {
            Integer i = iterator.next();
            if (i == 1) {
                iterator.remove();
            }
        }
    }

四： ArrayList序列化机制

我们看到ArrayList实现了Serializable接口，那么证明可以是被序列化的，但是elementData数组又被transient关键字修饰，我们知道被transient修饰的成员属性变量不被序列化，那么我们先看一个例子，ArrayList是否能被序列化成功呢？

public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException {
        List<Integer> list = new ArrayList<>(Arrays.asList(1, 2, 3));
        ByteArrayOutputStream byteArrayOutputStream = new ByteArrayOutputStream();
        ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream(byteArrayOutputStream);
        objectOutputStream.writeObject(list);

        ByteArrayInputStream byteArrayInputStream = new ByteArrayInputStream(byteArrayOutputStream.toByteArray());
        ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(byteArrayInputStream);
        List<Integer> newList = (List<Integer>) objectInputStream.readObject();
        System.out.println(Arrays.toString(newList.toArray()));
    }

运行输出结果：

[1, 2, 3]

结果是序列化和反序列化成功？？这是为什么呢？
其实细心的我们在查看源码时发现，ArrayList重写了readObject和writeObject来自定义的序列化和反序列化策略。什么是自定义序列化和反序列化呢？

  • 在序列化过程中，如果被序列化的类中定义了writeObject 和 readObject 方法，虚拟机会试图调用对象类里的 writeObject 和 readObject 方法，进行用户自定义的序列化和反序列化。
  • 如果没有这样的方法，则默认调用是 ObjectOutputStream 的 defaultWriteObject 方法以及 ObjectInputStream 的 defaultReadObject 方法。
  • 用户自定义的 writeObject 和 readObject 方法可以允许用户控制序列化的过程，比如可以在序列化的过程中动态改变序列化的数值。

那么我们来看一下ArrayList源码是怎么来自定义序列化和反序列化的：

private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
        throws java.io.IOException{
        // Write out element count, and any hidden stuff
        int expectedModCount = modCount;
        s.defaultWriteObject();

        // Write out size as capacity for behavioural compatibility with clone()
        s.writeInt(size);

        // Write out all elements in the proper order.
        for (int i=0; i<size; i++) {
            s.writeObject(elementData[i]);
        }

        if (modCount != expectedModCount) {
            throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }
private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
        throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
        elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;

        // Read in size, and any hidden stuff
        s.defaultReadObject();

        // Read in capacity
        s.readInt(); // ignored

        if (size > 0) {
            // be like clone(), allocate array based upon size not capacity
            ensureCapacityInternal(size);

            Object[] a = elementData;
            // Read in all elements in the proper order.
            for (int i=0; i<size; i++) {
                a[i] = s.readObject();
            }
        }
    }

可以看到通过writeObject方法和readObject方法来遍历elementData数组把数组中的元素写入ObjectOutputStream ，ObjectInputStream 中的。那么为什么ArrayList要用这种方式来实现序列化呢？

ArrayList实际上是动态数组，每次在放满以后自动增长设定的长度值，如果数组自动增长长度设为100，而实际只放了一个元素，那就会序列化99个null元素。为了保证在序列化的时候不会将这么多null同时进行序列化，ArrayList把元素数组设置为transient。

五： ArrayList clone机制

ArrayList的clone实现，其实是通过数组元素拷贝来实现的浅拷贝，很简单，我们看一下源码就行了：

public Object clone() {
        try {
            ArrayList<?> v = (ArrayList<?>) super.clone();
            v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);
            v.modCount = 0;
            return v;
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            // this shouldn't happen, since we are Cloneable
            throw new InternalError(e);
        }
    }
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