注：源码系列文章主要是对某付费专栏的总结记录。如有侵权，请联系删除。
1 整体架构
ArrayList 整体架构比较简单，就是一个数组结构，如下图：
ArrayList 底层数组结构
图中展示的是长度为 10 的数组，从 1 开始计数，index 表示数组的下标，从 0 开始计数，elementData 表示数组本身，源码中除了这两个概念，还有三个基本概念：
- DEFAULT_CAPACITY 表示数组的初始大小，默认是 10；
- size 表示当前数组的大小，类型是 int，没有使用 volatile 修饰，非线程安全；
- modCount 统计当前数组被修改的版本次数，数组结构有变动，就会加 1。
类注释
看源码首先要看注释，我们看看类注释上面都说了哪些：
- 允许 put null 值，会自动扩容；
- size、isEmpty、get、set、add 等方法时间复杂度都是 O(1)；
- 是非线程安全的，多线程情况下，推荐使用线程安全类：Collections#synchronizedList；
- 增加 for 循环，或者使用迭代器迭代过程中，如果数组大小被改变，会快速失败，抛出异常。
2 源码解析
2.1 初始化
有三种初始化方法：
- 无参数直接初始化
- 指定大小初始化
- 指定初始数据初始化
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
// 无参数直接初始化
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
// 指定大小初始化
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);
}
}
// 指定初始数据初始化
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
elementData = c.toArray();
if ((size = elementData.length) != 0) {
// c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
if (elementData.getClass() != Object[].class)
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
} else {
// replace with empty array.
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}
}
除了源码中的注释，我们再补充如下：
- ArrayList 无参构造器初始化时，默认大小是空数组，并不是默认的 DEFAULT_CAPACITY 10，10 是在第一次 add 的时候扩容的值 ArrayList.class#224 。
- 指定初始数据初始化时，我们发现一个这样子的注释
see 6260652，这是 Java 的一个 bug，意思是当给定集合内的元素不是 Object 类型时，我们会转化成 Object 类型（如：ArrayList 源码中的方法public Object[] toArray() { // ... }）。一般情况下不会触发此 bug，只有在下列场景下才会触发：ArrayList 初始化之后（元素指定非 Object 类型），再次调用toArray方法得到 Object 数组，并且往 Object 数组赋值时才会触发此 bug。演示如下：
// 初始化具体类型(非 Object) 的集合
List<String> list = Arrays.asList("a", "b");
// 调用 toArray 返回 Object 类型数组
Object[] array = list.toArray();
System.out.println(array.getClass().getSimpleName()); // String[]
// 虽然 toArray 返回的是 Object 数组，但是 array 元素的真实类型是 String
// 这里存储 Object 类型时就会报错: java.lang.ArrayStoreException: java.lang.Object
array[0] = new Object();
执行结果：
String[]
java.lang.ArrayStoreException: java.lang.Object
at com.example.ArrayListExample.toArrayObjectsTest(ArrayListExample.java:26)
官方文档地址：<a href="https://bugs.java.com/bugdatabase/view_bug.do?bug_id=6260652">https://bugs.java.com/bugdatabase/view_bug.do?bug_id=6260652</a>，发现该问题已经在 Java 9 中被解决。
2.2 新增和扩容实现
新增主要分为两步：
- 判断是否需要扩容，如果需要则执行扩容操作；
- 赋值新元素。
源码如下：
public boolean add(E e) {
// 确保数组大小是否足够，不够则执行扩容，size 为当前数组的大小
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
// 直接赋值
elementData[size++] = e;
return true;
}
扩容步骤(ensureCapacityInternal)源码：
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}
// 计算 capacity
private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
// 如果数组为空，则返回默认容量(10) 和最小容量(比如初始化 List add 一个 element 时 minCapacity 为 1)之间的 max 值
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
return minCapacity;
}
// 确保容量足够
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
// 记录数组被修改
modCount++;
// 如果我们期望的最小容量大于目前数组的长度，则执行扩容操作
// overflow-conscious code
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}
// 扩容，并把现有数据拷贝到新的数组中去
private void grow(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length;
// 新的容量为旧的容量的 1.5 倍(capacity >> 1 ==> capacity / 2)
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
// 如果新的容量小于我们期望值 minCapacity，则将新的容量值赋值为期望值
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
// 如果新的容量大于 JVM 所能分配的数组的最大值，那么就用 Integer 的最大值
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
// 通过复制进行扩容
// minCapacity is usually close to size, so this is a win:
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
通过源码学习我们需要注意以下几点：
- 扩容的规则并不是翻倍，而是
原来容量大小 + 原来容量大小的一半，直白来说，扩容后的大小是原来容量的 1.5 倍； - ArrayList 中数组的最大容量是
Integer.MAX_VALUE，超过这个值，JVM 就不会给数组分配内存空间了； - 新增时，并没有对值进行严格的校验，所以 ArrayList 是允许 null 值的。
在新增和扩容源码中，下面这点值得我们学习借鉴：
- 源码在扩容的时候，有数组大小溢出意识，就是说扩容后的数组的大小下界不能小于 0，上界不能大于 Integer.MAX_VALUE，这种意识值得我们学习。（比如：二分查找计算 mid 时，不能使用
(low + high) / 2，而要使用low + (high - low) / 2，因为low + high可能会超过 Integer 的最大值，JDK 之前有这个 bug）
扩容完成之后，赋值是非常简单的，直接在数组上添加元素即可：elementData[size++] = e。也正是通过这种简单赋值，没有任何锁控制，所以这里的操作是线程不安全的。
2.3 扩容的本质
扩容是通过这行代码来实现的 Arrays.copyOf(elementData, newCapacity)，这行代码描述的本质是数组之间的拷贝，扩容会先新建一个符合我们预期容量 newCapacity 的新数组，然后把旧数组的数据拷贝过去，源码如下：
public static int[] copyOf(int[] original, int newLength) {
int[] copy = new int[newLength];
System.arraycopy(original, 0, copy, 0,
Math.min(original.length, newLength));
return copy;
}
public static native void arraycopy(Object src, int srcPos, Object dest, int destPos, int length);
测试如下：
int[] elementData = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};
int oldCapacity = elementData.length;
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
System.out.println("旧的容量：" + oldCapacity);
System.out.println("新的容量：" + newCapacity);
System.out.println("旧的数组：" + JSON.toJSONString(elementData));
// 执行扩容操作
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
System.out.println("新的数组：" + JSON.toJSONString(elementData));
执行结果：
旧的容量：10
新的容量：15
旧的数组：[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]
新的数组：[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,0,0,0,0,0]
2.4 删除操作
ArrayList 删除元素有很多种方式，比如根据数组索引删除、根据值删除或批量删除等等，原理和思路都差不多，我们选取根据值删除方式来进行源码分析：
public boolean remove(Object o) {
// 如果要删除的值是 null，找到第一个值是 null 的删除
if (o == null) {
for (int index = 0; index < size; index++)
if (elementData[index] == null) {
fastRemove(index);
return true;
}
} else {
// 如果要删除的不是 null，找到第一个和要删除的值相等的删除
for (int index = 0; index < size; index++)
if (o.equals(elementData[index])) {
fastRemove(index);
return true;
}
}
return false;
}
注意两点：
- 新增的时候是没有对 null 进行校验的，所以删除的时候也是允许删除 null 值的；
- 找到值在数组中的索引位置，是通过
equals来判断的，如果数组元素不是基本类型，需要我们关注 equals 的具体实现。
上面源码中我们已经找到要删除元素的索引了，下面根据索引进行元素的删除：
// 根据索引删除
private void fastRemove(int index) {
// 记录数组结构发生变化
modCount++;
// numMoved 表示删除 index 位置的元素后，需要从 index 后面移动多少个元素到前面去
// 减 1 是因为 size 是从 1 开始计算的，index 是从 0 开始的，而我们调用 System.arraycopy 时需要的是 length 为数组元素被拷贝的长度值
int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0)
// 从数组 index+1 位置开始拷贝，拷贝的起始位置是 index，长度是 numMoved
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
numMoved);
// 数组size最后一个位置赋值为 null，帮助 GC
elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
}
从源码中我们可以看出，某一个元素删除后，为了维护数组结构，我们都会把数组后面的元素往前移动。
测试 demo：
Integer[] elementData = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};
int size = elementData.length;
System.out.println("原始数据：" + JSON.toJSONString(elementData));
System.out.println("数据长度：" + size);
// 要删除的值
int key = 5;
// 要删除的值的索引
int index = Arrays.binarySearch(elementData, key);
System.out.println("要删除的元素值：" + key);
System.out.println("要删除的元素索引位置：" + index);
// numMoved: 删除一个值后，该值后面有多少个值需要往前移动
// 比如这里删除值 5 之后，后面有 6,7,8,9,10 五个数据值需要移动
// 旧的数组为 [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]，删除成功后为 [1,2,3,4,6,7,8,9,10,null]，而不是 [1,2,3,4,null,6,7,8,9,10]
int numMoved = size - index - 1;
System.out.println("numMoved:" + numMoved);
if (numMoved > 0) {
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
}
elementData[--size] = null;
System.out.println("新的数据：" + JSON.toJSONString(elementData));
System.out.println("数据长度：" + size);
执行结果：
原始数据：[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]
数据长度：10
要删除的元素值：5
要删除的元素索引位置：4
numMoved:5
新的数据：[1,2,3,4,6,7,8,9,10,null]
数据长度：9
疑问：
- 删除 index 为值的元素时，为何要将 index 后面的元素向前移动，再将最后一位赋值为 null。而不是不移动 index 后面的元素，直接赋值 index 位置为 null 呢？是为了让数组看起来更连续吗？
2.5 迭代器
如果要自己实现迭代器，实现 java.util.Iterator 类即可，ArrayList 也是这样做的，我们来看看迭代器的几个重要参数：
// 迭代过程中，下一个元素的位置，默认从 0 开始
int cursor; // index of next element to return
// 表示上一次迭代过程中，索引的位置；删除场景为 -1
int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such
// 表示迭代过程中，期望的版本号，modCount 表示数组实际的版本号
int expectedModCount = modCount;
迭代器的三个方法：
-
hasNext: 还有没有值可以迭代 -
next: 如果有值可以迭代，返回迭代的值 -
remove: 删除当前迭代的值
三个方法的源码：
hasNext
public boolean hasNext() {
// cursor 表示下一个元素的位置，size 表示实际大小，如果两者相等，说明已经没有元素可以迭代了，如果不等，说明还可以迭代
// 例如当 size 为 10，cursor 为 0-9时都可以读取, 而如果 cursor 大于9，也就是数组最大值的下标
return cursor != size;
}
next
@SuppressWarnings("unchecked")
public E next() {
// 迭代过程中，判断版本号有无修改，有被修改，抛出 ConcurrentModificationException 异常
checkForComodification();
// 本次迭代过程中，元素的索引位置
int i = cursor;
// i 最大值只能是 size-1
if (i >= size)
throw new NoSuchElementException();
Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
if (i >= elementData.length)
throw new ConcurrentModificationException();
// 下一次迭代时，元素的位置，为下一次迭代做准备
cursor = i + 1;
// 返回元素值
return (E) elementData[lastRet = i];
}
// 检查版本号
final void checkForComodification() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
从源码可以看到，next 方法做了两件事，第一是检验能不能继续迭代，第二是找到迭代的值，并为下一次迭代做准备（cursor+1）。
remove
public void remove() {
// 如果上一次操作时，数组的位置已经小于0了，说明数组已经被删除完了
if (lastRet < 0)
throw new IllegalStateException();
// 迭代过程中，判断版本号有无被修改，有被修改，则抛出 ConcurrentModificationException 异常
checkForComodification();
try {
// 删除当前迭代的元素
// 为何是当前: 因为上面 next 中取当前值时已经为 lastRet 赋值为当前元素下标 `lastRet = i`
ArrayList.this.remove(lastRet);
// 因为删除了当前元素，而 ArrayList remove 方法删除元素后会将元素后面的所有元素向前移动，所以这里的下次迭代的位置 cursor 赋值为当前值的下标
cursor = lastRet;
// -1 表示元素已经被删除，这里也防止重复删除
lastRet = -1;
// 调用 ArrayList remove 删除元素时 modCount 已经发生变化，在此赋值给 expectedModCount
// 这样下次迭代时，两者的值是一致的
expectedModCount = modCount;
} catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
这里我们需要注意：
-
lastRet = -1的操作目的，是防止重复删除操作； - 删除元素成功，数组当前的 modCount 就会发生变化，这里会把
expectedModCount重新赋值，这样下次迭代时两者的值就是一致的了。
2.6 时间复杂度
从我们上面新增或删除方法的源码解析，发现，对数组元素的操作，只需要根据数组索引，直接新增和删除，所以时间复杂度是 O(1)。
2.7 线程安全
我们需要强调的是，只有当 ArrayList 作为共享变量时，才会有线程安全问题，当 ArrayList 是方法内部局部变量时，是没有线程安全问题的。
ArrayList 有线程安全问题的本质，是因为 ArrayList 自身的 elementData、size、modCount 在进行各种操作时，都没有加锁，而且这些变量的类型并非是可见的(volatile)的，所以如果多个线程对这些变量进行操作时，可能会有值被覆盖的情况。
类注释中推荐我们使用 Collections#synchronizedList 来保证线程的安全，SynchronizedList 是通过在每个方法上面加上同步锁 synchronized 来实现的，虽然实现了线程安全，但是性能大大降低，具体实现源码：
static class SynchronizedList<E> extends SynchronizedCollection<E>
implements List<E> {
private static final long serialVersionUID = -7754090372962971524L;
final List<E> list;
public void add(int index, E element) {
// 使用 synchronized 轻量锁，mutex 表示当前 SynchronizedList，也就是父类 SynchronizedCollection 中的 mutex
synchronized (mutex) {
list.add(index, element);
}
}
}
总结
从 ArrayList 整理架构触发，落地到初始化、新增、扩容、删除、迭代等核心源码实现，我们发现 ArrayList 其实就是围绕底层数组结构，各个 API 都是对数组的操作进行封装，让使用者无需感知底层实现，只需关注如何使用即可。
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