Java ArrayList源码深入分析

概述

Java中的ArrayList是最基础的动态数组实现，是Java集合框架中的重要组成部分。本文将分析ArrayList源码，通过详细的代码解析和实例说明，深入分析ArrayList的内部实现原理。

前置知识

在深入分析ArrayList源码之前，需要具备以下基础知识：

• Java集合框架的基本概念和应用场景
• 数组和链表的基本概念和特点
• 集合的基本操作，包括增删改查等操作
• Java泛型的基本使用方法和原理

源码分析

声明和初始化

ArrayList是一个泛型类，声明方式如下：

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

在声明中可以看到，ArrayList继承了AbstractList类，实现了List、RandomAccess、Cloneable和java.io.Serializable接口。其中，List接口定义了List容器的基本操作，RandomAccess接口标识这个实现支持随机访问，Cloneable和java.io.Serializable接口用于支持对象的克隆和序列化。

ArrayList的对象实例化有两种方式，一种是默认方式：

ArrayList<String> arrayList = new ArrayList<>();

另一种是指定容量大小的方式：

ArrayList<String> arrayList = new ArrayList<>(10);

默认情况下，ArrayList的容量为10。当元素个数超过容量时，会自动进行扩容操作。

基本操作

添加元素

ArrayList的添加元素操作比较简单，使用add()方法即可：

ArrayList<String> arrayList = new ArrayList<>();
arrayList.add("A");
arrayList.add("B");
arrayList.add("C");

add()方法实现如下：

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

其中，ensureCapacityInternal()方法用于确保容量足够，elementData[]数组用于存放元素。如果容量不够，会调用grow()方法进行扩容。

删除元素

ArrayList的删除元素操作稍微复杂一些，可以通过remove()方法或者迭代器来实现。下面是通过remove()方法删除元素的实例代码：

ArrayList<String> arrayList = new ArrayList<>();
arrayList.add("A");
arrayList.add("B");
arrayList.add("C");
arrayList.remove(1);

remove()方法实现如下：

public E remove(int index) {
    rangeCheck(index);

    modCount++;
    E oldValue = elementData(index);

    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

    return oldValue;
}

其中，rangeCheck()方法用于检查索引是否越界，System.arraycopy()方法用于数组元素的复制操作。

修改元素

ArrayList的修改元素操作也比较简单，可以通过set()方法实现：

ArrayList<String> arrayList = new ArrayList<>();
arrayList.add("A");
arrayList.add("B");
arrayList.add("C");
arrayList.set(1, "D");

set()方法实现如下：

public E set(int index, E element) {
    rangeCheck(index);

    E oldValue = elementData(index);
    elementData[index] = element;
    return oldValue;
}

扩容策略

ArrayList的扩容策略比较重要，扩容操作会占用大量的系统资源。因此，在使用ArrayList时需要了解其扩容策略以及如何进行优化。

在ArrayList中，扩容的底层实现是通过grow()方法实现的。默认情况下，ArrayList会自动进行扩容，每次扩容会增加原始容量的一半。例如当前容量为10，那么扩容后的容量就是10 + 10 / 2 = 15。

如果在实际使用中能够预先计算好ArrayList需要多少个元素，那么就可以在初始化的时候就指定容量大小，避免不必要的扩容操作，从而提高代码的性能。

示例说明

示例一：对ArrayList进行排序

下面是一个实例，演示如何使用ArrayList对一组数字进行排序。代码如下：

ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<>();
arrayList.add(4);
arrayList.add(1);
arrayList.add(3);
arrayList.add(2);

Collections.sort(arrayList);

在这个实例中，我们首先创建了一个包含4个数字的ArrayList。接着，通过调用Collections.sort()方法将这个ArrayList进行排序。最终的结果是[1, 2, 3, 4]。

示例二：使用ArrayList作为缓存池

下面是一个实例，演示如何使用ArrayList作为一个简单的缓存池。代码如下：

public class CachePool {

    private static final int MAX_SIZE = 1000;
    private static ArrayList<Object> sPool = new ArrayList<>(MAX_SIZE);

    public static Object obtain() {
        synchronized (sPool) {
            if (!sPool.isEmpty()) {
                return sPool.remove(0);
            }
        }
        return new Object();
    }

    public static void release(Object object) {
        synchronized (sPool) {
            if (sPool.size() < MAX_SIZE) {
                sPool.add(object);
            }
        }
    }
}

在这个实例中，我们创建了一个包含一千个元素的ArrayList。这个ArrayList是作为一个对象池来使用的，每次需要获取一个对象时，就从这个ArrayList中remove掉一个对象返回。当一个对象不再需要使用时，可以通过release()方法将这个对象放回到缓存池中。通过这样的方式，可以避免频繁创建和销毁对象，从而提高代码的性能和可维护性。

总结

本文深入分析了Java ArrayList源码，说明了ArrayList的内部实现原理和常见的操作方法。在使用ArrayList时，需要了解其基本原理和扩容策略，以及如何使用ArrayList进行排序、缓存池等操作。