Java 2 源码解读：java.util.ArrayList

2019-11-18 12:04:24

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供稿：网友

　　ArrayList是List接口的一个可变长数组实现。实现了所有List接口的操作，并答应存储null值。除了没有进行同步，ArrayList基本等同于Vector。在Vector中几乎对所有的方法都进行了同步，但ArrayList仅对writeObject和readObject进行了同步，其它比如add(Object)、remove(int)等都没有同步。
　　
　　1.存储
　　ArrayList使用一个Object的数组存储元素。
　　PRivate transient Object elementData[];
　　ArrayList实现了java.io.Serializable接口，这儿的transient标示这个属性不需要自动序列化。下面会在writeObject()方法中具体讲解为什么要这样作。
　　
　　2.add和remove
　　
　　　　public boolean add(Object o) {
　　　　ensureCapacity(size + 1);　// Increments modCount!!
　　　　elementData[size++] = o;
　　　　return true;
　　　　}
　　
　　注重这儿的ensureCapacity()方法，它的作用是保证elementData数组的长度可以容纳一个新元素。在“自动变长机制”中将具体讲解。
　　　　public Object remove(int index) {
　　　　RangeCheck(index);
　　　　modCount++;
　　　　Object oldValue = elementData[index];
　　　　int numMoved = size - index - 1;
　　　　if (numMoved > 0)
　　　　　　System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
　　　　　　　　　　 numMoved);
　　　　elementData[--size] = null; // Let gc do its work
　　　　return oldValue;
　　　　}
　　
　　RangeCheck()的作用是进行边界检查。由于ArrayList采用一个对象数组存储元素，所以在删除一个元素时需要把后面的元素前移。删除一个元素时只是把该元素在elementData数组中的引用置为null，具体的对象的销毁由垃圾收集器负责。
　　modCount的作用将在下面的“iterator()中的同步”中说明。
　　注：在前移时使用了System提供的一个实用方法：arraycopy()，在本例中可以看出System.arraycopy()方法可以对同一个数组进行操作，这个方法是一个native方法，假如对同一个数组进行操作时，会首先把从源部分拷贝到一个临时数组，在把临时数组的元素拷贝到目标位置。
　　
　　3.自动变长机制
　　在实例化一个ArrayList时，你可以指定一个初始容量。这个容量就是elementData数组的初始长度。假如你使用：
　　　　ArrayList list = new ArrayList();
　　
　　则使用缺省的容量：10。
　　　　public ArrayList() {
　　　　this(10);
　　　　}
　　
　　ArrayList提供了四种add()方法，
　　
　　public boolean add(Object o)
　　
　　public void add(int index, Object element)
　　
　　public boolean addAll(Collection c)
　　
　　public boolean addAll(int index, Collection c)
　　
　　在每一种add()方法中，都首先调用了一个ensureCapacity(int miniCapacity)方法，这个方法保证elementData数组的长度不小于miniCapacity。ArrayList的自动变长机制就是在这个方法中实现的。
　　　　public void ensureCapacity(int minCapacity) {
　　　　modCount++;
　　　　int oldCapacity = elementData.length;
　　　　if (minCapacity > oldCapacity) {
　　　　　　Object oldData[] = elementData;
　　　　　　int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1;
　　　　　　　　if (newCapacity < minCapacity)
　　　　　　newCapacity = minCapacity;
　　　　　　elementData = new Object[newCapacity];
　　　　　　System.arraycopy(oldData, 0, elementData, 0, size);
　　　　}
　　　　}
　　
　　从这个方法实现中可以看出ArrayList每次扩容，都扩大到原来大小的1.5倍。
　　每种add()方法的实现都大同小异，下面给出add(Object)方法的实现：
　　　　public boolean add(Object o) {
　　　　ensureCapacity(size + 1);　// Increments modCount!!
　　　　elementData[size++] = o;
　　　　return true;
　　　　}
　　
　　
　　4.iterator()中的同步
　　在父类AbstractList中定义了一个int型的属性：modCount，记录了ArrayList结构性变化的次数。
　　　　protected transient int modCount = 0;
　　
　　在ArrayList的所有涉及结构变化的方法中都增加modCount的值，包括：add()、remove()、addAll()、removeRange()及clear()方法。这些方法每调用一次，modCount的值就加1。
　　注：add()及addAll()方法的modCount的值是在其中调用的ensureCapacity()方法中增加的。
　　
　　AbstractList中的iterator()方法（ArrayList直接继续了这个方法）使用了一个私有内部成员类Itr，生成一个Itr对象（Iterator接口）返回：
　　　　public Iterator iterator() {
　　　　return new Itr();
　　　　}
　　
　　Itr实现了Iterator()接口，其中也定义了一个int型的属性：eXPectedModCount，这个属性在Itr类初始化时被赋予ArrayList对象的modCount属性的值。
　　　　int expectedModCount = modCount;
　　
　　注：内部成员类Itr也是ArrayList类的一个成员，它可以访问所有的AbstractList的属性和方法。理解了这一点，Itr类的实现就轻易理解了。
　　
　　在Itr.hasNext()方法中：
　　　　public boolean hasNext() {
　　　　　　return cursor != size();
　　　　}
　　
　　调用了AbstractList的size()方法，比较当前光标位置是否越界。
　　
　　在Itr.next()方法中，Itr也调用了定义在AbstractList中的get(int)方法，返回当前光标处的元素：
　　　　public Object next() {
　　　　　　try {
　　　　　　Object next = get(cursor);
　　　　　　checkForComodification();
　　　　　　lastRet = cursor++;
　　　　　　return next;
　　　　　　} catch(IndexOutOfBoundsException e) {
　　　　　　checkForComodification();
　　　　　　throw new NoSUChElementException();
　　　　　　}
　　　　}
　　
　　注重，在next()方法中调用了checkForComodification()方法，进行对修改的同步检查：
　　　　final void checkForComodification() {
　　　　　　if (modCount != expectedModCount)
　　　　　　throw new ConcurrentModificationException();
　　　　}
　　
　　现在对modCount和expectedModCount的作用应该非常清楚了。在对一个集合对象进行跌代操作的同时，并不限制对集合对象的元素进行操作，这些操作包括一些可能引起跌代错误的add()或remove()等危险操作。在AbstractList中，使用了一个简单的机制来规避这些风险。这就是modCount和expectedModCount的作用所在。
　　
　　5.序列化支持
　　ArrayList实现了java.io.Serializable接口，所以ArrayList对象可以序列化到持久存储介质中。ArrayList的主要属性定义如下：
　　
　　private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;
　　
　　private transient Object elementData[];
　　
　　private int size;
　　
　　可以看出serialVersionUID和size都将自动序列化到介质中，但elementData数组对象却定义为transient了。也就是说ArrayList中的所有这些元素都不会自动系列化到介质中。为什么要这样实现？因为elementData数组中存储的“元素”其实仅是对这些元素的一个引用，并不是真正的对象，序列化一个对象的引用是毫无意义的，因为序列化是为了反序列化，当你反序列化时，这些对象的引用已经不可能指向原来的对象了。所以在这儿需要手工的对ArrayList的元素进行序列化操作。这就是writeObject()的作用。
　　　　private synchronized void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
　　　　　　throws java.io.IOException{
　　　　// Write out element count, and any hidden stuff
　　　　s.defaultWriteObject();
　　　 // Write out array length
　　　　s.writeInt(elementData.length);
　　　　// Write out all elements in the proper order.
　　　　for (int i=0; i　　　　　　　　s.writeObject(elementData[i]);
　　　　}
　　
　　这样元素数组elementData中的所以元素对象就可以正确地序列化到存储介质了。
　　对应的readObject()也按照writeObject()方法的顺序从输入流中读取：
　　　　private synchronized void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
　　　　　　throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
　　　　// Read in size, and any hidden stuff
　　　　s.defaultReadObject();
　　　　// Read in array length and allocate array
　　　　int arrayLength = s.readInt();
　　　　elementData = new Object[arrayLength];
　　　　// Read in all elements in the proper order.
　　　　for (int i=0; i　　　　　　　　elementData[i] = s.readObject();
　　　　}

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