Java编程中ArrayList源码分析

Java中的ArrayList是一种基于动态数组实现的数据结构，非常常用。相对于传统的数组，ArrayList具有更为灵活的可扩展性和易操作性。那么，在Java编程中，如何理解ArrayList的源码结构呢？接下来我将进行一些简单的分析说明。

ArrayList源码结构

概述

ArrayList类定义了Java中的动态数组，在下面的代码中可以看到其“add”、“remove”等常用方法声明：

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
    ...
    public boolean add(E e) {
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }
    ...
    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; // 可选清null操作，帮助GC
        return oldValue;
    }
    ...
}

成员变量

ArrayList源码中的一个重要部分就是元素数组elementData，下面给出其定义：

private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

transient Object[] elementData;

...

其中，默认容量是10个元素，可通过构造方法实现动态扩容。此外，这里还定义了两个空数组常量，分别用于空参构造函数和初次扩容用。

构造方法

ArrayList中提供了多个构造方法，下面介绍两种常用方式：

// 使用空参构造器默认生成空数组
public ArrayList() {
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

// 指定初始化容量
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);
    }
}

注意，空参构造函数的elementData数组是通过DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA定义的空数组常量生成的。而在指定初始化容量的构造函数中，如果参数initialCapacity小于等于0，则抛出异常。

扩容策略

在对ArrayList进行插入操作时，若插入元素个数超出数组容量，就需要对数组进行扩容。下面是ArrayList的扩容逻辑：

private void grow(int minCapacity) {
    // 当前数组容量
    int oldCapacity = elementData.length;
    // 新的容量至少是旧容量的1.5倍
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    // 如果新容量还是不足目标值，则直接扩容至目标值
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    // 如果新容量超过了数组最大长度，则执行“溢出检查”
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    // 根据新容量创建新数组，并将旧数组内容复制到新数组中
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
    if (minCapacity < 0) // overflow
        throw new OutOfMemoryError();
    return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
        Integer.MAX_VALUE :
        MAX_ARRAY_SIZE;
}

如上代码所示，当ArrayList进行扩容时，容量大小至少为原来的1.5倍，如果扩容后容量依然不足，则直接扩容到目标值。若扩容后的容量超过了数组最大长度，则调用hugeCapacity方法进行溢出检查。最后，通过Arrays.copyOf方法将旧数组复制到新数组中，完成扩容操作。

示例说明

下面给出两个简单的示例说明ArrayList代码的应用：

示例1：使用ArrayList存储字符串

创建一个长度为10的ArrayList数组，然后向其中添加字符串元素：

// 新建一个长度为10的ArrayList对象
ArrayList<String> arrayList = new ArrayList<>(10);
// 向元素数组插入字符串
arrayList.add("hello");
arrayList.add("world");
arrayList.add("!");

示例2：转换数组类型（复制）

将字符串数组转换为ArrayList类型，使用Arrays.asList方法(此方法不能修改元素)：

String[] arr = new String[]{"red", "green", "blue"};
ArrayList<String> arrayList = new ArrayList<>(Arrays.asList(arr));

这个示例中，使用Arrays.asList方法将字符串数组arr复制到arrayList对象中。注意，此方法返回的ArrayList对象类型不可修改 (fixed-size)，但是它除了不可修改外，其他List特性都是正常的。如果不使用这种方式，可能需要逐个遍历数组中的元素，调用add方法逐个添加。

总结

Java中的ArrayList是一种基于动态数组实现的数据结构，拥有灵活的可扩展性和易操作性。通过分析ArrayList的源码结构，我们可以更深入地理解其内部实现机制，提高我们在实际编程过程中的处理效率。