ArrayList浅析

一、ArrayList源码

首先看一下ArrayList的继承关系结构图

ArrayList的类声明

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{

1.1 迭代器

ArrayList源码中有一个内部类ListItr
ListItr是什么？---->官方注释：AbstractList的优化版本：ListItr

    /*** An optimized version of AbstractList.ListItr*/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();}}}

可以看到 ListItr 继承自Itr，那么Itr长啥样子呢？
官方注释：Itr，一个AbstractList.Itr的优化版本

    /*** An optimized version of AbstractList.Itr*/private class Itr implements Iterator<E> {int cursor;       // index of next element to returnint lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no suchint expectedModCount = modCount;// prevent creating a synthetic constructorItr() {}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();}}@Overridepublic void forEachRemaining(Consumer<? super E> action) {Objects.requireNonNull(action);final int size = ArrayList.this.size;int i = cursor;if (i < size) {final Object[] es = elementData;if (i >= es.length)throw new ConcurrentModificationException();for (; i < size && modCount == expectedModCount; i++)action.accept(elementAt(es, i));// update once at end to reduce heap write trafficcursor = i;lastRet = i - 1;checkForComodification();}}final void checkForComodification() {if (modCount != expectedModCount)throw new ConcurrentModificationException();}}

1.1.1 Itr源码浅析

可以在上面看到Itr实现了Iterator迭代器接口，实现了四个方法hasNext()、next()、remove()、forEachRemaining()

• int cursor;：表示下一个要返回的元素的索引。
• int lastRet = -1;：表示最后一个返回的元素的索引；如果没有返回过元素，则为 -1。
• int expectedModCount = modCount;：用于检查在迭代过程中是否有并发修改的情况。
• Itr()：私有构造方法，用于防止生成合成构造函数。
• public boolean hasNext()：判断是否还有下一个元素待返回。
• public E next()：返回下一个元素，并将游标向后移动一个位置。
• public void remove()：从列表中移除上一个返回的元素。
• public void forEachRemaining(Consumer<? super E> action)：对列表中剩余的元素执行指定操作。
  其他方法：
• checkForComodification()：检查在迭代过程中是否有并发修改。

在hasNext() 方法中：
判断游标和数组size大小是否相等，不相等则返回true,表示仍有下一个元素。

在 next() 方法中：
首先检查是否有并发修改（调用 checkForComodification() 方法）。
获取当前游标位置 i，检查是否超出列表大小，若超出则抛出 NoSuchElementException 异常。
获取 ArrayList 的元素数组 elementData。
若游标位置超出数组长度，则抛出 ConcurrentModificationException 异常。
将游标后移一位，返回当前元素，并更新 lastRet 为当前索引 i。

在 remove() 方法中：
检查是否有上一个元素被返回，若没有则抛出 IllegalStateException 异常。
检查是否有并发修改。
尝试从 ArrayList 中移除上一个返回的元素，更新游标和 lastRet，以及 expectedModCount。
若捕获到 IndexOutOfBoundsException 异常，则抛出 ConcurrentModificationException 异常。

1.1.2 ListItr源码浅析

Itr仅仅是实现了迭代器接口， 而ListItr继承自 Itr 类并实现了 ListIterator< E> 接口，用于提供对 ArrayList 的列表迭代器功能。以下是对代码中关键部分的详细解释：

• ListItr(int index)：构造方法，初始化 ListIterator 的游标位置为指定的索引 index。
• public boolean hasPrevious()：判断是否还有前一个元素。
• public int nextIndex()：返回下一个元素的索引。
• public int previousIndex()：返回前一个元素的索引。
• public E previous()：返回前一个元素，并将游标向前移动一个位置。
  首先检查是否有并发修改。
  计算前一个元素的索引 i，若小于 0 则抛出 NoSuchElementException 异常。
  获取 ArrayList 的元素数组 elementData。
  若索引超出数组长度，则抛出 ConcurrentModificationException 异常。
  更新游标和 lastRet，并返回前一个元素。
• public void set(E e)：将上一个返回的元素替换为指定的元素。
  检查是否有上一个元素被返回，若没有则抛出 IllegalStateException 异常。
  检查是否有并发修改，然后尝试调用 ArrayList 的 set 方法进行替换操作。
• public void add(E e)：在当前位置添加一个元素。
  检查是否有并发修改。
  尝试在当前位置添加元素，更新游标和 lastRet，以及 expectedModCount。
  若捕获到 IndexOutOfBoundsException 异常，则抛出 ConcurrentModificationException 异常。

这段代码实现了 ListIterator 的功能，允许在 ArrayList 中进行双向迭代，并提供了添加和替换元素的功能。同时，代码中也考虑了并发修改的情况，确保操作的安全性和一致性。

看一下迭代器的创建

    /*** Returns a list iterator over the elements in this list (in proper* sequence), starting at the specified position in the list.* The specified index indicates the first element that would be* returned by an initial call to {@link ListIterator#next next}.* An initial call to {@link ListIterator#previous previous} would* return the element with the specified index minus one.** <p>The returned list iterator is <a href="#fail-fast"><i>fail-fast</i></a>.** @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}*/public ListIterator<E> listIterator(int index) {rangeCheckForAdd(index);return new ListItr(index);}/*** Returns a list iterator over the elements in this list (in proper* sequence).** <p>The returned list iterator is <a href="#fail-fast"><i>fail-fast</i></a>.** @see #listIterator(int)*/public ListIterator<E> listIterator() {return new ListItr(0);}

两个重载方法 listIterator() 和 listIterator(int index)，用于返回一个 ListIterator 对象，从列表中的指定位置或者从列表的起始位置开始迭代元素。

1.2 常用方法

常用方法 无非增删改查

增

    public void add(int index, E element) {rangeCheckForAdd(index);modCount++;final int s;Object[] elementData;if ((s = size) == (elementData = this.elementData).length)elementData = grow();System.arraycopy(elementData, index,elementData, index + 1,s - index);elementData[index] = element;size = s + 1;}

添加一个元素到指定位置的列表中。
首先检查索引是否在合法范围内；
增加修改计数器 modCount；
检查并扩容；
使用 System.arraycopy 方法将原数组中的元素向后移动一个位置，并在指定位置插入新元素；
更新列表大小。

删

    public E remove(int index) {Objects.checkIndex(index, size);final Object[] es = elementData;@SuppressWarnings("unchecked") E oldValue = (E) es[index];fastRemove(es, index);return oldValue;}private void fastRemove(Object[] es, int i) {modCount++;final int newSize;if ((newSize = size - 1) > i)System.arraycopy(es, i + 1, es, i, newSize - i);es[size = newSize] = null;}

remove()
从列表中移除指定索引位置的元素。
首先检查索引是否在合法范围内；
获取移除的元素；
调用 fastRemove 方法将要移除元素后面的元素向前移动一个位置；
更新 modCount；
返回被移除的元素。

fastRemove（）
快速移除指定位置元素的方法；
更新 modCount；
如果移除的不是最后一个元素，则调用 System.arraycopy 方法将后面的元素向前移动一个位置；
将数组最后位置置空；
更新列表大小。

改

    public E set(int index, E element) {Objects.checkIndex(index, size);E oldValue = elementData(index);elementData[index] = element;return oldValue;}

替换指定位置的元素为新元素；
检查索引是否合法；
获取替换之前的元素；
直接替换指定位置的元素为新元素；
返回替换之前的元素。

查

    public E get(int index) {Objects.checkIndex(index, size);return elementData(index);}

获取指定位置的元素；
检查索引是否合法；
返回指定位置的元素。

1.3 System.arraycopy

常用方法中只有增删操作使用了System.arraycopy

 public static native void arraycopy(Object src,  int  srcPos,Object dest, int destPos,int length);

System.arraycopy是一个native方法，

参数解释：

src：源数组，要复制元素的数组。
srcPos：源数组中开始复制的起始位置。
dest：目标数组，要复制到的数组。
destPos：目标数组中开始粘贴的位置。
length：要复制的元素数量。

对于增删操作中的 System.arraycopy 的使用场景：

在添加元素时，通过 System.arraycopy 将特定位置之后的元素依次向后移动一个位置，为新元素腾出空间；
在删除元素时，通过 System.arraycopy 将被删除元素位置之后的元素依次向前移动一个位置，填补被删除元素的空缺；
如果是替换元素或获取元素，通常不会直接使用 System.arraycopy。

System.arraycopy 是一种底层的数组复制方法，效率较高，但只能用于数组之间的元素复制，不能用于集合之间的元素复制。在增删操作中，通过 System.arraycopy 可以较方便地实现元素的移动和填充，同时能够保证数据的完整性和位置的正确性。

1.4 ArrayList 的创建方式

public class ArrayList<E> {public ArrayList()public ArrayList(int initialCapacity) public ArrayList(Collection<? extends E> c) }

通过无参构造创建时，数组的默认初始容量是10

通过指定长度参构造创建时，数组的初始容量是指定的长度

第三种在创建时，会将传入的集合数据存储到数组中，数组的初始容量是传入集合的长度

二、引申问题

2.1 ArrayList的大小是如何增加的？

在add方法中，添加元素，增长ArrayList的长度

    public void add(int index, E element) {rangeCheckForAdd(index);modCount++;final int s;Object[] elementData;if ((s = size) == (elementData = this.elementData).length)elementData = grow();System.arraycopy(elementData, index,elementData, index + 1,s - index);elementData[index] = element;size = s + 1;}

    private Object[] grow() {return grow(size + 1);}

    /*** Increases the capacity to ensure that it can hold at least the* number of elements specified by the minimum capacity argument.** @param minCapacity the desired minimum capacity* @throws OutOfMemoryError if minCapacity is less than zero*/private Object[] grow(int minCapacity) {int oldCapacity = elementData.length;if (oldCapacity > 0 || elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {int newCapacity = ArraysSupport.newLength(oldCapacity,minCapacity - oldCapacity, /* minimum growth */oldCapacity >> 1           /* preferred growth */);return elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);} else {return elementData = new Object[Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity)];}}

在扩容过程中，会根据当前数组的容量和需要扩容的最小增量以及首选增量来计算新的容量大小，然后使用 Arrays.copyOf 方法创建一个新的数组，并将原数组的内容复制到新数组中，最后将新数组赋值给 elementData。完成了列表的扩容操作，确保ArrayList 在添加元素时能够保持合理的容量并避免频繁扩容。

2.2 什么情况下你会使用ArrayList

使用List无非就是使用它的常用方法，而从ArrayList的增删改查源码中我们可以看出，增删过程会将数组的元素拷贝到新数组中来，再添加新数据；由于扩容需要新建数组且拷贝之前到元素到新数组中，所以说数据越多，操作越慢。

如果数据量很大的情况下，并涉及到元素的增删，会十分浪费性能，不建议使用ArrayList
ArrayList查询快，知道索引瞬间查到，适合常用来查询，修改也比较快。

2.3 在索引中ArrayList的增加或者删除某个对象的运行过程，效率很低吗？解释一下为什么

从源码已经看出按索引增加或者删除某个对象，会使用底层的arraycopy挪动数组，效率相对较低，特别是在操作的位置接近列表的开始处时。这主要是由于数组的特性决定的

• 数组的结构：ArrayList 内部使用数组作为数据存储结构，数组是一种紧凑的数据结构，元素在内存中是连续存储的。当在数组中某个位置插入或删除元素时，需要将该位置后面的所有元素向后或向前移动，以保持索引的连续性。
• 移动元素的开销：在数组中，移动元素的操作是比较耗时的，因为需要将大量元素复制到新的位置。如果需要在数组的开始处插入或删除元素，那么所有后续元素都需要移动，这个开销是随索引位置增大而增大的。
• 时间复杂度：在 ArrayList 中按索引增加或删除元素的时间复杂度为 O(n)，其中 n 是列表元素的总数。这是因为需要移动大量元素来维持索引的连续性，复杂度与数组中需要移动的元素数量成正比。
• 相对于末尾的操作：相比较于在 ArrayList 的末尾增加或删除元素，按索引操作效率更低。在末尾增加或删除元素时，时间复杂度为 O(1)，因为不需要移动元素，只需修改数组的长度即可。

ArrayList 在按索引增加或删除元素时效率较低，特别是在操作的位置接近列表的起始处时。如果对列表的操作需求包括频繁的按索引增加或删除元素，可能会影响程序的性能。在这种情况下，考虑使用其他数据结构如 LinkedList 等可能会更加高效。

2.4 ArrayList如何顺序删除节点

可以使用迭代器（Iterator）来遍历列表并删除满足特定条件的节点。

• 获取 ArrayList 的迭代器对象：通过调用 ArrayList 的 iterator() 方法获取一个迭代器对象，用于遍历 ArrayList 中的元素。
• 使用迭代器遍历 ArrayList：通过迭代器的 hasNext() 和 next() 方法来遍历 ArrayList 中的元素。在遍历过程中，可以判断当前元素是否满足删除条件。
• 删除满足条件的节点：如果发现某个节点（元素）满足删除条件，可以调用迭代器的 remove() 方法来删除当前节点。注意：在使用迭代器的 remove() 方法之前必须先调用 next() 方法来指向要删除的元素。
• 循环遍历直至完成：重复执行第2步和第3步，直到遍历完成所有的节点。

示例

import java.util.ArrayList;
import java.util.Iterator;public class RemoveElementsInArrayList {public static void main(String[] args) {ArrayList<Integer> numbers = new ArrayList<>();numbers.add(1);numbers.add(2);numbers.add(3);numbers.add(4);numbers.add(5);Iterator<Integer> iterator = numbers.iterator();while (iterator.hasNext()) {int number = iterator.next();if (number % 2 == 0) {  // 删除偶数节点iterator.remove();}}System.out.println(numbers);}
}

2.5 ArrayList的遍历方法

适用迭代器的next()方法遍历。

三、总结

ArrayList 的特点：内部是数组，有序、可重复、可存 null 值
ArrayList 的优点：尾插效率高，支持随机访问，查询快，知道索引瞬间查到，是所有集合当中查询速度最快的，
ArrayList 的缺点：中间插入、删除效率低

• 数组一旦创建长度就固定了，在使用的过程中，不能更改，所以说数组一旦满了就得扩容，扩容的操作是先创建一个原来容量1.5倍的新数组，然后将之前数组的元素拷贝到新数组中来，再添加新数据；由于扩容需要新建数组且拷贝之前到元素到新数组中，所以说数据越多，操作越慢。
• 同样的道理，在执行插入操作的时候，需要将插入节点之后所有的数据向后移动，执行删除操作时，有需要将删除节点之后的所有数据向前移动，由于需要移动数据，所以说操作的节点之后的数据越多，操作越慢。

数组的两个概念：大小、容量

大小指的是数组元素的个数，容量指的是数组本身的长度（最多可存储的元素个数）

ArrayList 和 LinkedList 的区别

参考链接：
java集合框架05——ArrayList和LinkedList的区别