概念

ArrayList是我們常用的集合類，是基于數(shù)組實現(xiàn)的。不同于數(shù)組的是ArrayList可以動態(tài)擴容。

類結構

ArrayList是Java集合框架List接口的一個實現(xiàn)類。提供了一些操作數(shù)組元素的方法。

實現(xiàn)List接口同時，也實現(xiàn)了 RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable。

ArrayList繼承與AbstractList。

ArrayList類圖

類成員

elementData

   transient Object[] elementData;

elementData是用于保存數(shù)據(jù)的數(shù)組，是ArrayList類的基礎。

elementData是被關鍵字transient修飾的。我們知道被transient修飾的變量，是不會參與對象序列化和發(fā)序列化操作的。而我們知道ArrayList實現(xiàn)了java.io.Serializable，這就表明ArrayList是可序列化的類，這里貌似出現(xiàn)了矛盾。

ArrayList在序列化和反序列化的過程中，有兩個值得關注的方法：writeObject和 readObject：

    private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
        throws java.io.IOException{
        // Write out element count, and any hidden stuff
        int expectedModCount = modCount;
        s.defaultWriteObject();

        // Write out size as capacity for behavioural compatibility with clone()
        s.writeInt(size);

        // Write out all elements in the proper order. 
        for (int i=0; i<size; i++) {
            s.writeObject(elementData[i]);
        }

        if (modCount != expectedModCount) {
            throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }
    
    private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
        throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
        elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;

        // Read in size, and any hidden stuff
        s.defaultReadObject();

        // Read in capacity   
        s.readInt(); // ignored

        if (size > 0) {
            // be like clone(), allocate array based upon size not capacity
            ensureCapacityInternal(size);

            Object[] a = elementData;
            // Read in all elements in the proper order.
            for (int i=0; i<size; i++) {
                a[i] = s.readObject();
            }
        }
    }

writeObject會將ArrayList中的size和element數(shù)據(jù)寫入ObjectOutputStream。readObject會從ObjectInputStream讀取size和element數(shù)據(jù)。

之所以采用這種序列化方式，是出于性能的考量。因為ArrayList中elementData數(shù)組在add元素的過程，容量不夠時會動態(tài)擴容，這就到可能會有空間沒有存儲元素。采用上述序列化方式，可以保證只序列化有實際值的數(shù)組元素，從而節(jié)約時間和空間。

size

    private int size;

size是ArrayList的大小。

DEFAULT_CAPACITY

    /**
     * Default initial capacity.
     */
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

ArrayList默認容量是10。

構造函數(shù)

ArrayList提供了2個構造函數(shù)ArrayList(int initialCapacity)和 ArrayList()。

使用有參構造函數(shù)初始化ArrayList需要指定初始容量大小，否則采用默認值10。

add()方法

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

在add元素之前，會調用ensureCapacityInternal方法，來判斷當前數(shù)組是否需要擴容。

    private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
            // 如果elementData為空數(shù)組，指定elementData最少需要多少容量。
            // 如果初次add，將取默認值10；
            minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }
        ensureExplicitCapacity(minCapacity);
    }

    private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        modCount++;

        // overflow-conscious code
        // elementData容量不足的情況下進行擴容
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
    }
    
    private void grow(int minCapacity) {
        // overflow-conscious code
        int oldCapacity = elementData.length;
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            newCapacity = minCapacity;
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
        // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }

• 從grow方法中可以看出，ArrayList的elementData數(shù)組如遇到容量不足時，將會把新容量newCapacity設置為 oldCapacity + (oldCapacity >> 1)。二進制位操作>> 1等同于/2的效果，擴容導致的newCapacity也就設置為原先的1.5倍。

• 如果新的容量大于MAX_ARRAY_SIZE。將會調用hugeCapacity將int的最大值賦給newCapacity。不過這種情況一般不會用到，很少會用到這么大的ArrayList。

在確保有容量的情況下，會將元素添加至elementData數(shù)組中。

add(int index, E element) 方法

    public void add(int index, E element) {
        rangeCheckForAdd(index);

        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                         size - index);
        elementData[index] = element;
        size++;
    }

帶有index的add方法相對于直接add元素方法會略有不同。

• 首先會調用rangeCheckForAdd來檢查，要添加的index是否存在數(shù)組越界問題；
• 同樣會調用ensureCapacityInternal來保證容量；
• 調用System.arraycopy方法復制數(shù)組，空出elementData[index]的位置；
• 賦值并增加size；

remove(int index) 方法

    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;
    }

ArryList提供了兩個刪除List元素的方法，如上所示，就是根據(jù)index來刪除元素。

• 檢查index是否越界；
• 取出原先值的，如果要刪除的值不是數(shù)組最后一位，調用System.arraycopy方法將待刪除的元素移動至elementData最后一位。
• 將elementData最后一位賦值為null。

remove(Object o) 方法

    public boolean remove(Object o) {
        if (o == null) {
            for (int index = 0; index < size; index++)
                if (elementData[index] == null) {
                    fastRemove(index);
                    return true;
                }
        } else {
            for (int index = 0; index < size; index++)
                if (o.equals(elementData[index])) {
                    fastRemove(index);
                    return true;
                }
        }
        return false;
    }
    

remove(Object o)是根據(jù)元素刪除的，相對來說就要麻煩一點：

• 當元素o為空的時候，遍歷數(shù)組刪除空的元素。
• 當元素o不為空的時候，遍歷數(shù)組找出于o元素的index，并刪除元素。
• 如果以上兩步都沒有成功刪除元素，返回false。

modCount

在add、remove過程中，經常發(fā)現(xiàn)會有modCount++或者modCount--操作。這里來看下modCount是個啥玩意。

modCount變量是在AbstractList中定義的。

    protected transient int modCount = 0;

modCount是一個int型變量，用來記錄ArrayList結構變化的次數(shù)。

modCount起作用的地方是在使用iterator的時候。ArrayList的iterator方法。

    public Iterator<E> iterator() {
        return new Itr();
    }
    
     private class Itr implements Iterator<E> {
        int cursor;       // index of next element to return
        int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such
        int expectedModCount = modCount;

        public boolean hasNext() {
            return cursor != size;
        }

        @SuppressWarnings("unchecked")
        public E next() {
            checkForComodification();
            int i = cursor;
            if (i >= size)
                throw new NoSuchElementException();
            Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
            if (i >= elementData.length)
                throw new ConcurrentModificationException();
            cursor = i + 1;
            return (E) elementData[lastRet = i];
        }

        public void remove() {
            if (lastRet < 0)
                throw new IllegalStateException();
            checkForComodification();

            try {
                ArrayList.this.remove(lastRet);
                cursor = lastRet;
                lastRet = -1;
                expectedModCount = modCount;
            } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
                throw new ConcurrentModificationException();
            }
        }

        @Override
        @SuppressWarnings("unchecked")
        public void forEachRemaining(Consumer<? super E> consumer) {
            Objects.requireNonNull(consumer);
            final int size = ArrayList.this.size;
            int i = cursor;
            if (i >= size) {
                return;
            }
            final Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
            if (i >= elementData.length) {
                throw new ConcurrentModificationException();
            }
            while (i != size && modCount == expectedModCount) {
                consumer.accept((E) elementData[i++]);
            }
            // update once at end of iteration to reduce heap write traffic
            cursor = i;
            lastRet = i - 1;
            checkForComodification();
        }

        final void checkForComodification() {
            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }

iterator方法會返回私有內部類Itr的一個實例。這里可以看到Itr類中很多方法，都會調用checkForComodification方法。來檢查modCount是夠等于expectedModCount。如果發(fā)現(xiàn)modCount != expectedModCount將會拋出ConcurrentModificationException異常。

這里寫一個小例子來驗證體會下modCount的作用。簡單介紹一下這個小例子：準備兩個線程t1、t2，兩個線程對同一個ArrayList進行操作，t1線程將循環(huán)向ArrayList中添加元素，t2線程將把ArrayList元素讀出來。

Test類：

public class Test {

    List<String> list = new ArrayList<String>();


    public Test() {

    }


    public void add() {

        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            list.add(String.valueOf(i));
        }

    }

    public void read() {

        Iterator iterator = list.iterator();
        while (iterator.hasNext()) {
            System.out.println(iterator.next());
        }

    }

t1線程：

public class Test1Thread implements Runnable {

    private Test test;

    public Test1Thread(Test test) {
        this.test = test;
    }

    public void run() {

        test.add();

    }

t2線程：

public class Test2Thread implements Runnable {

    private Test test;

    public Test2Thread(Test test) {
        this.test = test;
    }


    public void run() {
        test.read();
    }
}

main類

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Test test = new Test();
        Thread t1  = new Thread(new Test1Thread(test));
        Thread t2  = new Thread(new Test2Thread(test));

        t1.start();
        t2.start();

    }

執(zhí)行這個mian類就會發(fā)現(xiàn)程序將拋出一個ConcurrentModificationException異常。

由異?？梢园l(fā)現(xiàn)拋出異常點正處于在調用next方法的checkForComodification方法出現(xiàn)了異常。這里也就出現(xiàn)上文描述的modCount != expectedModCount的情況，原因是t2線程在讀數(shù)據(jù)的時候，t1線程還在不斷的添加元素。

這里modCount的作用也就顯而易見了，用modCount來規(guī)避多線程中并發(fā)的問題。由此也可以看出ArrayList是非線程安全的類。