Java集合框架概览之ArrayList源码分析

ArrayList简介

ArrayList是Java集合框架中的一种常用数据结构，它实现了List接口，底层使用数组来存储元素，具有可变长度的特性。ArrayList可以动态地增加或减少元素的个数，无需手动处理数组长度的问题，大大简化了程序的实现。在实际应用中，ArrayList常用于需要频繁读取和修改元素的场景，因为ArrayList的访问速度较快，但插入和删除元素的效率相对较低。

ArrayList源码分析

ArrayList源码主要包含以下几个重要部分：成员变量、构造方法、核心方法和迭代器实现。

成员变量

ArrayList类中有三个重要的成员变量：elementData、size和DEFAULT_CAPACITY。其中，elementData是一个Object类型的数组，用于保存ArrayList中的元素；size表示ArrayList中实际存储的元素数量；DEFAULT_CAPACITY表示默认的初始容量，设定为10。需要注意的是，ArrayList的实际容量（数组长度）并不等于size，后者表示有效元素的个数。

构造方法

ArrayList提供了多个构造方法，常用的有无参构造方法和带初始容量的构造方法。无参构造方法会创建一个默认初始容量为10的ArrayList。带初始容量的构造方法则可以指定一个初始容量，允许根据实际需求进行调整。

/**
 * Constructs an empty list with an initial capacity of ten.
 */
public ArrayList() {
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

/**
 * Constructs an empty list with the specified initial capacity.
 *
 * @param initialCapacity the initial capacity of the list
 * @throws IllegalArgumentException if the specified initial capacity is negative
 */
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);
    }
}

核心方法

ArrayList的核心方法主要包括add、remove、get和set方法。add方法用于向ArrayList中添加元素，在添加前会判断是否需要扩容。remove方法用于移除ArrayList中的元素，并将后续元素向前移位。get方法用于获取指定位置的元素，set方法用于替换指定位置的元素，这两个方法均需要保证索引的有效性。

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

/**
 * Removes the element at the specified position in this list.
 *
 * @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;
}

/**
 * Returns the element at the specified position in this list.
 *
 * @param index index of the element to return
 * @return the element at the specified position in this list
 * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
 */
public E get(int index) {
    rangeCheck(index);

    return elementData(index);
}

/**
 * Replaces the element at the specified position in this list with the
 * specified element.
 *
 * @param index index of the element to replace
 * @param element element to be stored at the specified position
 * @return the element previously at the specified position
 * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
 */
public E set(int index, E element) {
    rangeCheck(index);

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

迭代器实现

ArrayList通过实现Iterator接口来提供遍历功能。ArrayList的迭代器实现是一个内部类Itr，在ArrayList中通过返回Itr对象的实例来实现迭代。Itr类实现了hasNext、next、remove等方法，通过游标cursor和标记lastRet来实现迭代器的功能。

总结

ArrayList是Java集合框架中常用的数据结构之一，底层使用数组来存储元素，具有可变长度的特性。ArrayList通过动态扩容和移动元素实现了动态增加和减少元素的功能。本文对ArrayList的源码进行了分析，介绍了其成员变量、构造方法、核心方法和迭代器实现。掌握ArrayList的源码可以更好地理解其内部实现机制，为使用和优化ArrayList提供指导。在实际开发中，需要注意ArrayList的容量调整和元素访问的效率问题，避免频繁的插入和删除操作。