ArrayList概述

ArrayList 是一种变长的集合类，基于定长数组实现。ArrayList 允许空值和重复元素，当往 ArrayList 中添加的元素数量大于其底层数组容量时，其会通过扩容机制重新生成一个更大的数组。由于 ArrayList 底层基于数组实现，所以其可以保证在 O(1) 复杂度下完成随机查找操作。ArrayList 是非线程安全类，并发环境下，多个线程同时操作 ArrayList，会引发不可预知的异常或错误。

ArrayList的成员属性

在介绍ArrayList的各种方法之前先看一下基础属性成员。

其中DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA与EMPTY_ELEMENTDATA的区别是：

EMPTY_ELEMENTDATA主要是在构造方法初始化一个空数组的时候使用当我们向数组中添加第一个元素时，DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA将会知道数组该扩充多少（10）。 //默认初始化容量 private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10; //默认的空的数组，这个主要是在构造方法初始化一个空数组的时候使用 private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {}; //使用默认size大小的空数组实例，和EMPTY_ELEMENTDATA区分开来， //这样可以知道当第一个元素添加的时候进行扩容至多少 private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {}; //ArrayList底层存储数据就是通过数组的形式，ArrayList长度就是数组的长度。 //一个空的实例elementData为上面的DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA，当添加第一个元素的时候 //会进行扩容，扩容大小就是上面的默认容量DEFAULT_CAPACITY transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access //arrayList的大小 private int size;

注意这里EMPTY_ELEMENTDATA和DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA都是被static修饰的。如下图所示：

ArrayList构造方法

带有初始化容量的构造方法

参数大于0，elementData初始化为initialCapacity大小的数组参数小于0，elementData初始化为空数组参数小于0，抛出异常 //参数为初始化容量 public ArrayList(int initialCapacity) { //判断容量的合法性 if (initialCapacity > 0) { //elementData才是实际存放元素的数组 this.elementData = new Object[initialCapacity]; } else if (initialCapacity == 0) { //如果传递的长度为0，就是直接使用自己已经定义的成员变量(一个空数组) this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA; } else { throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+ initialCapacity); } }

无参构造

构造方法中将elementData初始化为空数组DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA当调用add方法添加第一个元素的时候，会进行扩容扩容至大小为DEFAULT_CAPACITY=10 //无参构造，使用默认的size为10的空数组，在构造方法中没有对数组长度进行设置，会在后续调用add方法的时候进行扩容 public ArrayList() { this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA; }

参数为Collection类型的构造器

//将一个参数为Collection的集合转变为ArrayList（实际上就是将集合中的元素换为了数组的形式）。如果 //传入的集合为null会抛出空指针异常（调用c.toArray()方法的时候） public ArrayList(Collection<? extends E> c) { elementData = c.toArray(); if ((size = elementData.length) != 0) { //c.toArray()可能不会正确地返回一个 Object[]数组，那么使用Arrays.copyOf()方法 if (elementData.getClass() != Object[].class) elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class); } else { //如果集合转换为数组之后数组长度为0，就直接使用自己的空成员变量初始化elementData this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA; } }

上面的这些构造方法理解起来比较简单，关注前两个构造方法做的事情，目的都是初始化底层数组 elementData(this.elementData=XXX)。区别在于无参构造方法会将 elementData 初始化一个空数组，插入元素时，扩容将会按默认值重新初始化数组。而有参的构造方法则会将 elementData 初始化为参数值大小（>= 0）的数组。一般情况下，我们用默认的构造方法即可。倘若在可知道将会向 ArrayList 插入多少元素的情况下，可以使用有参构造方法。

​上面说到了使用无参构造的时候，在调用add方法的时候会进行扩容，所以下面我们就看看add方法以及扩容的细节。

ArrayList的add方法

add方法

//将指定元素添加到list的末尾 public boolean add(E e) { //因为要添加元素，所以添加之后可能导致容量不够，所以需要在添加之前进行判断（扩容） ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!（待会会介绍到fast-fail） elementData[size++] = e; return true; }

我们看到add方法中在添加元素之前，会先判断size的大小，所以我们来看看ensureCapacityInternal方法的细节

ensureCapacityInternal方法分析

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) { //这里就是判断elementData数组是不是为空数组 //（使用的无参构造的时候，elementData=DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA） //如果是，那么比较size+1(第一次调用add的时候size+1=1)和DEFAULT_CAPACITY， //那么显然容量为10 if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) { minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity); } ensureExplicitCapacity(minCapacity); }

当要add 进第1个元素时，minCapacity为(size+1=0+1=)1，在Math.max()方法比较后，minCapacity 为10。

然后紧接着调用ensureExplicitCapacity更新modCount的值，并判断是否需要扩容。

ensureExplicitCapacity方法分析

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) { modCount++; //这里就是add方法中注释的Increments modCount //溢出 if (minCapacity - elementData.length > 0) grow(minCapacity);//这里就是执行扩容的方法 }

下面来看一下扩容的主要方法grow。

grow方法分析

private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8; private void grow(int minCapacity) { // oldCapacity为旧数组的容量 int oldCapacity = elementData.length; // newCapacity为新数组的容量（oldCap+oldCap/2:即更新为旧容量的1.5倍） int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // 检查新容量的大小是否小于最小需要容量，如果小于那就将最小容量设为数组的新容量 if (newCapacity - minCapacity < 0) newCapacity = minCapacity; //如果新容量大于MAX_ARRAY_SIZE，使用hugeCapacity比较二者 if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0) newCapacity = hugeCapacity(minCapacity); // minCapacity is usually close to size, so this is a win: // 将原数组中的元素拷贝 elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); }

hugeCapacity方法

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; }

add方法执行流程总结

​ 我们用一幅图来简单梳理一下，当使用无参构造的时候，在第一次调用add方法之后的执行流程： ​ 这是第一次调用add方法的过程，当扩容值capacity为10之后，

继续添加第2个元素（先注意调用ensureCapacityInternal方法传递的参数为size+1=1+1=2）

在ensureCapacityInternal方法中，elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA不成立，所以直接执行ensureExplicitCapacity方法

ensureExplicitCapacity方法中minCapacity为刚刚传递的2，所以第二个if判断（2-10=-8）不会成立，即newCapacity 不比MAX_ARRAY_SIZE大，则不会进入 grow 方法。数组容量为10，add方法中 return true,size增为1。

假设又添加3、4…10个元素（其中过程类似，但是不会执行grow扩容方法）

当add第11个元素时候，会进入grow方法时，计算newCapacity为15，比minCapacity（为10+1=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。

add(int index,E element)方法

//在元素序列 index 位置处插入 public void add(int index, E element) { rangeCheckForAdd(index); //校验传递的index参数是不是合法 // 1. 检测是否需要扩容 ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!! // 2. 将 index 及其之后的所有元素都向后移一位 System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index); // 3. 将新元素插入至 index 处 elementData[index] = element; size++; } private void rangeCheckForAdd(int index) { if (index > size || index < 0) //这里判断的index>size（保证数组的连续性），index小于0 throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index)); }

add(int index, E element)方法（在元素序列指定位置（假设该位置合理）插入）的过程大概是下面这些：

检测数组是否有足够的空间(这里的实现和上面的)将 index 及其之后的所有元素向后移一位将新元素插入至 index 处

将新元素插入至序列指定位置，需要先将该位置及其之后的元素都向后移动一位，为新元素腾出位置。这个操作的时间复杂度为O(N)，频繁移动元素可能会导致效率问题，特别是集合中元素数量较多时。在日常开发中，若非所需，我们应当尽量避免在大集合中调用第二个插入方法。

ArrayList的remove方法

ArrayList支持两种删除元素的方式

remove(int index)

remove(int index) 根据下标删除元素

public E remove(int index) { rangeCheck(index); //校验下标是否合法（如果index>size，旧抛出IndexOutOfBoundsException异常） modCount++;//修改list结构，就需要更新这个值 E oldValue = elementData(index); //直接在数组中查找这个值 int numMoved = size - index - 1;//这里计算所需要移动的数目 //如果这个值大于0 说明后续有元素需要左移(size=index+1) //如果是0说明被移除的对象就是最后一位元素(不需要移动别的元素) if (numMoved > 0) //索引index只有的所有元素左移一位 覆盖掉index位置上的元素 System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved); //移动之后，原数组中size位置null elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work //返回旧值 return oldValue; } //src:源数组 //srcPos:从源数组的srcPos位置处开始移动 //dest:目标数组 //desPos:源数组的srcPos位置处开始移动的元素，这些元素从目标数组的desPos处开始填充 //length:移动源数组的长度 public static native void arraycopy(Object src, int srcPos, Object dest, int destPos, int length);

删除过程如下图所示

remove(Object o)

remove(Object o) 按照元素删除，会删除和参数匹配的第一个元素

public boolean remove(Object o) { //如果元素是null 遍历数组移除第一个null if (o == null) { for (int index = 0; index < size; index++) if (elementData[index] == null) { //遍历找到第一个null元素的下标 调用下标移除元素的方法 fastRemove(index); return true; } } else { //找到元素对应的下标 调用下标移除元素的方法 for (int index = 0; index < size; index++) if (o.equals(elementData[index])) { fastRemove(index); return true; } } return false; } //按照下标移除元素（通过数组元素的位置移动来达到删除的效果） private void fastRemove(int index) { modCount++; int numMoved = size - index - 1; if (numMoved > 0) System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved); elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work }

ArrayList总结

ArrayList 是一种变长的集合类，基于定长数组实现，使用默认构造方法初始化出来的容量是10 （1.7之后都是延迟初始化，即第一次调用add方法添加元素的时候才将elementData容量初始化为10）。

ArrayList 允许空值和重复元素，当往 ArrayList 中添加的元素数量大于其底层数组容量时，其会通过扩容机制重新生成一个更大的数组。ArrayList扩容的长度是原长度的1.5倍

由于 ArrayList 底层基于数组实现，所以其可以保证在 O(1) 复杂度下完成随机查找操作。

ArrayList 是非线程安全类，并发环境下，多个线程同时操作 ArrayList，会引发不可预知的异常或错误。

顺序添加很方便

删除和插入需要复制数组，性能差（可以使用LinkindList）

Integer.MAX_VALUE - 8 ：主要是考虑到不同的JVM,有的JVM会在加入一些数据头,当扩容后的容量大于MAX_ARRAY_SIZE,我们会去比较最小需要容量和MAX_ARRAY_SIZE做比较,如果比它大, 只能取Integer.MAX_VALUE,否则是Integer.MAX_VALUE -8。 这个是从jdk1.7开始才有的

fast-fail机制

fail-fast的解释：

在系统设计中，快速失效系统一种可以立即报告任何可能表明故障的情况的系统。快速失效系统通常设计用于停止正常操作，而不是试图继续可能存在缺陷的过程。这种设计通常会在操作中的多个点检查系统的状态，因此可以及早检测到任何故障。快速失败模块的职责是检测错误，然后让系统的下一个最高级别处理错误。

​ 就是在做系统设计的时候先考虑异常情况，一旦发生异常，直接停止并上报，比如下面的这个简单的例子：

//这里的代码是一个对两个整数做除法的方法，在fast_fail_method方法中，我们对被除数做了个简单的检查，如果其值为0，那么就直接抛出一个异常，并明确提示异常原因。这其实就是fail-fast理念的实际应用。 public int fast_fail_method(int arg1,int arg2){ if(arg2 == 0){ throw new RuntimeException("can't be zero"); } return arg1/arg2; }

在Java集合类中很多地方都用到了该机制进行设计，一旦使用不当，触发fail-fast机制设计的代码，就会发生非预期情况。我们通常说的Java中的fail-fast机制，默认指的是Java集合的一种错误检测机制。

当多个线程同时对一个集合进行结构上改变的操作时，触发该机制时就会抛出并发修改异常ConcurrentModificationException。

如果不在多线程环境下，foreach遍历的时候使用add/remove方法，也可能会抛出异常。——之所以会抛出ConcurrentModificationException异常，是因为我们的代码中使用了增强for循环，而在增强for循环中，集合遍历是通过iterator进行的，但是元素的add/remove却是直接使用的集合类自己的方法。这就导致iterator在遍历的时候，会发现有一个元素在自己不知不觉的情况下就被删除/添加了，就会抛出一个异常，用来提示可能发生了并发修改！

所以，在使用Java的集合类的时候，如果发生ConcurrentModificationException，优先考虑fail-fast有关的情况，实际上这可能并没有真的发生并发修改，只是Iterator使用了fail-fast的保护机制，只要他发现有某一次修改是未经过自己进行的，那么就会抛出异常。