概述

java.util.Collection是Java集合类的基本接口，存储和操作一组类型相同的对象。而ArrayList是java语言最常用的集合类，是表ADT的一种实现。

ArrayList继承树

实现

速览一下ArrayList的源码，详细介绍一下常用的方法。

属性

/**
* The array buffer into which the elements of the ArrayList are stored.
* The capacity of the ArrayList is the length of this array buffer. Any
* empty ArrayList with elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
* will be expanded to DEFAULT_CAPACITY when the first element is added.
*/
transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
/**
* The size of the ArrayList (the number of elements it contains).
*
* @serial
*/
private int size;

ArrayList中的数据存于一个数组Object[]，可以理解为ArrayList对数组进行了一层封装，便于使用。

transient标记这个elementData不可序列化，而使用writeObject方法序列化ArrayList对象。

1	protected transient int modCount = 0;

还有个继承于AbstractList的属性很重要，用于记录list结构修改的次数，更详细的说明后文中会有。

get&set

public E get(int index) {
    rangeCheck(index);
    return elementData(index);
}

public E set(int index, E element) {
    rangeCheck(index);
    E oldValue = elementData(index);
    elementData[index] = element;
    return oldValue;
}

get和set方法都是对数组指定位置元素的操作。

add

/**
 * Appends the specified element to the end of this list.
 *
 * @param e element to be appended to this list
 * @return <tt>true</tt> (as specified by {@link Collection#add})
 */
public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

add方法中需要先检查数组空间是否足够，如有必要则执行扩容，扩容使用Arrays.copyOf方法(底层调用System.arraycopy)

remove

/**
 * Removes the element at the specified position in this list.
 * Shifts any subsequent elements to the left (subtracts one from their
 * indices).
 *
 * @param index the index of the element to be removed
 * @return the element that was removed from the list
 * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
 */
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;
}

remove方法实际也使用System.arraycopy

iterator

1	private class Itr implements Iterator<E>

ArrayList有个内部类Itr实现了Iterator接口，提供hasNext(),next(),remove()等方法，使调用者在迭代collection时能做删除操作。

可以用iterator()方法返回一个迭代器，在使用foreach语法实际也用的是这个Itr

1
2
3

public Iterator<E> iterator() {
    return new Itr();
}

同理还有个ListIterator

fail-fast

之前提到ArrayList继承了AbstractList的一个非常重要的属性modCount，用于记录list结构改变的次数，在add(),remove()等代码中都有对modCount的自增操作。该属性用于iterator以及list iterator的实现，当modCount的值不符合预期，会抛异常ConcurrentModificationException。

以下代码就是典型的错误

// 错误的代码 java.util.ConcurrentModificationException
public static void main(String[] args) {
    List<String> list = new ArrayList<>();
    list.add("1");
    list.add("2");
    list.add("3");
    list.add("4");
    for (String s : list) {
        if ("2".equals(s)) {
            list.remove(s);
        }
    }
}

然而，如果迭代器调用了它自己的remove方法，那么这个迭代器就仍然是合法的。

RandomAccess

发现ArrayList还实现了一个标记接口RandomAccess，文档中解释说这个接口的作用是使list的实现在随机访问时有更高的效率。

this loop:
    for (int i=0, n=list.size(); i < n; i++)
        list.get(i);
 runs faster than this loop:
    
    for (Iterator i=list.iterator(); i.hasNext(); )
        i.next();

Spliterator

// TODO
java8新特性，有待研究，之后补上

小结

ArrayList提供了List ADT的一种可增长数组的实现，使用ArrayList的优点在于，对get和set调用花费常数时间。其缺点是新项的插入和现有项的删除代价昂贵，除非变动是在ArrayList的末端进行。

适合需要快速访问数据，较少插入或删除元素的场景。

变种

concurrent包下提供了CopyOnWriteArrayList

写入时复制（英语：Copy-on-write，简称COW）是一种计算机程序设计领域的优化策略。其核心思想是，如果有多个调用者（callers）同时要求相同资源（如内存或磁盘上的数据存储），他们会共同获取相同的指针指向相同的资源，直到某个调用者试图修改资源的内容时，系统才会真正复制一份专用副本（private copy）给该调用者，而其他调用者所见到的最初的资源仍然保持不变。这过程对其他的调用者都是透明的（transparently）。此作法主要的优点是如果调用者没有修改该资源，就不会有副本（private copy）被创建，因此多个调用者只是读取操作时可以共享同一份资源。

以下代码是向ArrayList里添加元素，可以发现在add方法中是需要加锁的

public boolean add(E e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        newElements[len] = e;
        setArray(newElements);
        return true;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

get方法则无需加锁

public E get(int index) {
    return get(getArray(), index);
}
private E get(Object[] a, int index) {
    return (E) a[index];
}

当线程A执行修改操作，修改的是copy出来的新数组，其它读线程此时读取的任是原数组。

那么问题来了，修改操作会锁住整个List，是一个并发瓶颈；频繁的copy则会导致内存和gc相关的问题。CopyOnWriteArrayList不是一个通用的并发List，适合读多写少的场景。