ArrayList 底层结构和源码分析

ArrayList 基本介绍

ArrayList实现了List接口。它可以存储包括null的任何类型的对象，允许重复元素。ArrayList在内部使用一个数组来存储元素，当元素数量超过数组容量时，ArrayList会自动重新分配更大的内部数组，并且将现有元素复制到新数组中。ArrayList基本等同于Vector，但是ArrayList是线程不安全的（执行效率高），在多线程情况下不建议使用ArrayList。

ArrayList 源码阅读及操作机制

首先ArrayList中用来存储元素的数组是 Object 类型的数组 elementData，ArrayList的容量就是这个数组的大小。

transient Object[] elementData;

通过 debug 下面这段代码来观察ArrayList的扩容机制。

public class TestArrayList() {
  public static void main(String[] args) {
    ArrayList list = new ArrayList();
    // ArrayList list = new ArrayList(4);
        for (int i = 1; i <= 10; i++) {
            list.add(i);
        }
        for (int i = 11; i <= 15; i++) {
            list.add(i);
        }
  }
}

构造方法

当使用无参构造器创建ArrayList对象时，会创建一个默认容量为10的空数组。

public ArrayList() {
  this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

// 用于默认大小的空实例的共享空数组。将其与 EMPTY_ELEMENTDATA 区分开，
// 以便在添加第一个元素时知道需要扩容多少。
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

使用指定大小的构造器创建ArrayList对象时，则初始 elementData 容量为指定大小。

public ArrayList(int initialCapacity) {
  if (initialCapacity > 0) {
    this.elementData = new Object[initialCapacity];
  } else if (initialCapacity == 0) {
    this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
  } else {
    throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                       initialCapacity);
  }
}

add(E e)

add(E e)方法将指定元素添加到列表末尾，该方法先调用ensureCapacityInternal()方法确保容量至少是所需的最小容量（即当前大小加一），然后再赋值。

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

由于ArrayList允许的元素类型是 Object，所以添加基本类型的数据时，会先将其转换为对应的包装类型。

ensureCapacityInternal(int minCapacity)

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

calculateCapacity()

该方法计算需要的容量，如果elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA（使用无参构造器时即符合该条件），则返回DEFAULT_CAPACITY（10），否则返回 minCapacity（size + 1）。

private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
  if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
    return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
  }
  return minCapacity;
}

private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

ensureExplicitCapacity(int minCapacity)

modCount 记录列表被结构性修改的次数（结构性修改是指添加或删除一个或多个元素，或显式调整后备数组的大小，仅仅设置元素的值不是结构性修改）。如果需要的容量大于 elementData 的长度，则调用grow()方法进行扩容。

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

  // overflow-conscious code
  if (minCapacity - elementData.length > 0)
    grow(minCapacity);
}

grow()

该方法增加容量以确保列表至少能够容纳最小容量参数minCapacity指定的元素数量。计算得到新容量应为旧容量的 1.5 倍。如果计算得到的新容量小于需要的最小容量，则新容量应为需要的最小容量（使用无参构造器第一次添加元素时即为这种情况，第一次扩容为 10）。如果请求的数组大小超过了虚拟机的限制，可能会导致 OutOfMemoryError。最后通过数组复制copyOf.copyOf()来进行真正的扩容。

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 = copyOf.copyOf(elementData, newCapacity);
}

总结

当使用无参构造器创建ArrayList对象时，elementData 初始容量为 0，第一次添加元素时 elementData 扩容为 10，以后再需要扩容，按 1.5 倍来扩容。若使用有参构造器创建ArrayList对象，elementData 初始容量为指定大小，如果需要扩容，则扩容为 1.5 倍。

值得注意的是，由于每次调整容量都需要将所有元素复制到新数组中，所以在元素数量较多时，频繁地调整容量可能会导致性能下降。为了避免频繁地调整容量，可以使用ArrayList的指定大小的构造方法或在添加大量元素之前使用ensureCapacity()方法预先指定较大的容量，以减少容量调整的次数。

另外，当从ArrayList中删除元素时，并不会立即缩小内部数组的容量。如果希望减少内存占用，可以使用trimToSize()方法来调整ArrayList的容量，使其与元素数量匹配。这样可以释放未使用的内存空间。