从Java ArrayList 学习泛型设计

ArrayList的泛型设计分析

ArrayList是Java集合框架中一个非常重要的类，它巧妙地结合了泛型和Object数组来实现类型安全和高效的元素存储。下面我们来详细分析其设计的巧妙之处：

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泛型声明与内部数组

​​源码位置：​​ ArrayList.java

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {// ...transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access// ...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);}}}

• 使用泛型参数 E 表示列表中存储的元素类型
• 内部采用 Object[] 数组存储元素（可容纳任意类型对象）

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类型安全的实现

虽然内部使用 Object 数组存储元素，但通过泛型机制确保类型安全。在元素访问时，通过强制类型转换将 Object 转换为泛型类型 E：

@SuppressWarnings("unchecked")
E elementData(int index) {return (E) elementData[index];  // 强制类型转换（编译器无法运行时验证类型安全）
}public E get(int index) {Objects.checkIndex(index, size);return elementData(index);
}

• @SuppressWarnings("unchecked") 用于抑制编译器对类型转换的警告

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添加元素的实现

public boolean add(E e) {modCount++;add(e, elementData, size);return true;
}private void add(E e, Object[] elementData, int s) {if (s == elementData.length)elementData = grow();elementData[s] = e;  // 直接存储泛型元素（依赖类型擦除特性）size = s + 1;
}

• 利用Java泛型类型擦除特性：运行时所有泛型类型均视为 Object 类型

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迭代器中的泛型处理

private class Itr implements Iterator<E> {// ...@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];  // Object→泛型类型转换}// ...
}

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toArray方法的泛型处理

​​源码位置：​​ ArrayList.java

@SuppressWarnings("unchecked")
public <T> T[] toArray(T[] a) {if (a.length < size)// 创建与输入数组运行时类型相同的新数组return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass());System.arraycopy(elementData, 0, a, 0, size);if (a.length > size)a[size] = null;return a;
}

• 通过传入数组类型 T 确定返回数组类型，并执行 Object[] 到指定类型数组的转换

sort方法

巧妙结合泛型与Object数组实现类型安全且高效的排序。

private void sortRange(Comparator<? super E> c, int fromIndex, int toIndex) {final int expectedModCount = modCount; // 记录初始修改计数Arrays.sort((E[]) elementData, fromIndex, toIndex, c); // 调用JDK排序if (modCount != expectedModCount) throw new ConcurrentModificationException(); // 并发修改检查
}

1. ​​底层存储​​：
   elementData 是 Object[] 类型数组，实际存储列表的所有元素。

2. ​​类型转换​​：
   将 elementData 强制转换为 E[] 后传入 Arrays.sort。
   ​​安全性保障​​：ArrayList内部严格保证只存储类型 E 的元素，因此运行时转换是安全的（依赖泛型擦除后实际为 Object[] 的特性）。【注意null也是类型E，因此new Object[cap]创建的也是E[ ]】

3. ​​性能优化​​：
   直接复用JDK Arrays.sort 的高效实现，通过泛型擦除在编译期保证类型安全，运行时无额外开销。