詳細解説！ ArrayListの仕組みと実装

by YujiSoftware

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詳細解説︕ ArrayListの仕組みと実装 @YujiSoftware

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目次 • ArrayList の概要 ◦ インタフェースについて ◦ Collections Framework について • ArrayList のアルゴリズム • ArrayList の実装（ソースコードを読む）本⽇の資料: https://yuji.software/arraylist/ ArrayList 以外のコレクションの話、ジェネリクスの話スコープ外

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1. ArrayList の概要

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注目ポイント • ArrayList って何︖ • ArrayList が実装するインタフェースごとの特徴 ◦ List インタフェースとは︖ ◦ SequencedCollection インタフェースとは︖ ◦ Collection インタフェースとは︖ ◦ マーカーインタフェースとは︖

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ArrayList とは︖

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Array を使って実装した List インタフェース

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ArrayList の特徴 1. List インタフェースの実装クラスのひとつ ◦ 他には LinkedList（連結リスト）など 2. 複数のマーカーインタフェース（後述）がある 3. AbstractList を継承して実装されている p pu ub bl li ic c c cl la as ss s A Ar rr ra ay yL Li is st t< > e ex xt te en nd ds s A Ab bs st tr ra ac ct tL Li is st t< > i im mp pl le em me en nt ts s L Li is st t< >, , R Ra an nd do om mA Ac cc ce es ss s, , C Cl lo on ne ea ab bl le e, , S Se er ri ia al li iz za ab bl le e

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ArrayList のメソッド • ArrayList 固有のメソッドのメソッドはほぼない ◦ e en ns su ur re eC Ca ap pa ac ci it ty y( (i in nt t) ), t tr ri im mT To oS Si iz ze e( () ) のみが固有 • ArrayList を知るために ◦ List インタフェースのことを知る必要がある ◦ さらに、その親インタフェースも知る必要がある

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List インタフェースとは • Collections Framework の⼀部（↑オブジェクトの集合を操作するフレームワーク）【主なインタフェース】

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List インタフェースの継承階層 • Iterable ◦ Collection ▪ SequencedCollection ▪ List List の実装 = 親も含めたすべてのインタフェースの実装 → これらのインタフェースの違いは︖

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List インタフェースについて • 要素が順番に格納されているコレクション • インデックスでアクセスできる • 任意の位置に操作（追加、削除など）ができる

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Listインタフェースの主なメソッド (1) 操作戻り値メソッド名と引数追加 void add(int index, E element) 取得 E get(int index) 削除 E remove(int index) 検索 int indexOf(Object o) 部分取得 List subList(int fromIndex, int toIndex) ソート void sort(Comparator super E> c) • インデックスを指定しての操作が特徴的

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Listインタフェースの主なメソッド (2) 操作戻り値メソッド名と引数⼀致 boolean equals(Object o) ⽐較 int hashCode() • List インタフェースとして e eq qu ua al ls s と h ha as sh hC Co od de e が定義されている ◦ 実装に関わらず、リスト内の要素がすべて同じなら e eq qu ua al ls s が t tr ru ue e で、h ha as sh hC Co od de e の値が等しくなる

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SequencedCollectionインタフェース • 要素が連続したコレクション • 両端から連続してアクセスできる • 両端に対して操作できる

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SequencedCollectionインタフェース • Java 21 で追加された ◦ Deque や SortedSet といった連続したコレクションを統⼀的に扱えるようにするため

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SequencedCollectionのメソッド操作戻り値メソッドと引数追加 void addFirst(E e) 追加 void addLast(E e) 取得 E getFirst() 取得 E getLast() 削除 E removeFirst() 削除 E removeLast() • すべてデフォルトメソッド（インタフェースで実装が提供されている）

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SequencedCollectionのメソッド操作戻り値メソッドと引数逆順View SequencedCollection reversed() • 要素の内容を逆順にした View を取得できる ◦ View に変更した内容は、元のコレクションに反映される ◦ この View は、for ループできる f fo or r ( (v va ar r e e : : l li is st t. .r re ev ve er rs se ed d( () )) ) { { S Sy ys st te em m. .o ou ut t. .p pr ri in nt tl ln n( (e e) ); ; } }

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Collection インタフェース • 要素のコレクション ◦ 順序は規定されていない • Collections Framework のルートインタフェース

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Collection の主なメソッド (1) 操作戻り値メソッドと引数追加 boolean add(E element) 追加 boolean addAll(Collection extends E> c) 削除 E remove(Object element) 検索 boolean contains(Object element) • List インタフェースと異なる a ad dd d( (E E) ) がある ◦ インデックスの指定ができない ◦ 戻り値がある（Set でコレクションが変更されなかった場合は f fa al ls se e になる。List の場合は常に t tr ru ue e になる）

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Collection の主なメソッド (2) 操作戻り値メソッドと引数ストリーム Stream stream() 変換 Object[] toArray() 変換 T[] toArray() • 要素を⼀つ取得するメソッドはない ◦ s st tr re ea am m( () ) や i it te er ra at to or r( () ) を使う

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Iterable インタフェース • イテレータを提供する ◦ イテレータにより、要素を⼀つずつ取り出せる ◦ このインタフェースを実装したクラスは、拡張for⽂（foreachループ）で使えるようになる

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Iterable インタフェース操作戻り値メソッドと引数イテレーターの取得 Iterator iterator() • もともとは Colleciton インタフェースにあったメソッド ◦ Java 5 で独⽴したインタフェースになった • この他に、Java 8 でデフォルトメソッドが追加された ◦ v vo oi id d f fo or rE Ea ac ch h( (C Co on ns su um me er r< ? s su up pe er r T T> > a ac ct ti io on n) ) ◦ S Sp pl li it te er ra at to or r< > s sp pl li it te er ra at to or r( () )

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ArrayList の特徴（再掲） 1. List インタフェースの実装クラスのひとつ ◦ 他には LinkedList（連結リスト）など 2. 複数のマーカーインタフェース（後述）がある 3. AbstractList を継承して実装されている p pu ub bl li ic c c cl la as ss s A Ar rr ra ay yL Li is st t< > e ex xt te en nd ds s A Ab bs st tr ra ac ct tL Li is st t< > i im mp pl le em me en nt ts s L Li is st t< >, , R Ra an nd do om mA Ac cc ce es ss s, , C Cl lo on ne ea ab bl le e, , S Se er ri ia al li iz za ab bl le e

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マーカーインタフェース • ArrayList では3つ付与されている p pu ub bl li ic c c cl la as ss s A Ar rr ra ay yL Li is st t< > e ex xt te en nd ds s A Ab bs st tr ra ac ct tL Li is st t< > i im mp pl le em me en nt ts s L Li is st t< >, , R Ra an nd do om mA Ac cc ce es ss s, , C Cl lo on ne ea ab bl le e, , S Se er ri ia al li iz za ab bl le e メソッドやフィールドが⼀切定義されていないインタフェース。クラスの特徴を表すために⽤いる。マーカーインタフェース

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各マーカーインタフェースの意味 • RandomAccess ◦ ランダムアクセスが得意 ◦ ⼀部の処理（C Co ol ll le ec ct ti io on ns s. .b bi in na ar ry yS Se ea ar rc ch h( () )など）では、このインタフェースの有無によって使⽤するアルゴリズムを変えている • Cloneable ◦ c cl lo on ne e( () ) メソッドに対応 • Serializable ◦ シリアライズ可能

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ArrayList の親クラス • AbstractList を継承して実装されている p pu ub bl li ic c c cl la as ss s A Ar rr ra ay yL Li is st t< > e ex xt te en nd ds s A Ab bs st tr ra ac ct tL Li is st t< > i im mp pl le em me en nt ts s L Li is st t< >, , R Ra an nd do om mA Ac cc ce es ss s, , C Cl lo on ne ea ab bl le e, , S Se er ri ia al li iz za ab bl le e

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ArrayList の親クラス • インタフェースごとに抽象クラスが⽤意されている ◦ 実装を簡単に⽤意できるようになっている

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2. ArrayList のアルゴリズム

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注目ポイント • 操作（要素の追加、削除など）による内部の変化 • 初期容量の⼤事さ ◦ ⼤きいほうが良いが、メモリ消費量とのトレードオフ • 操作ごとの計算量（オーダー）の違い ◦ O(1)︓サイズによらず⼀定時間で処理（速い） ◦ O(n)︓サイズによって線形時間で処理（遅い） • マルチスレッド非対応の理由

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今回説明する操作 • 初期状態 • 末尾に要素を追加 → O(1), O(n) • 途中に〃 → O(n) • 末尾の要素を削除 → O(1) • 途中の〃 → O(n) • インデックス指定で要素を取得 → O(1) • ある要素が含まれているか → O(n) • リストが⼀致しているか → O(n)

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ArrayList の初期状態 • 内部に配列と、現在使⽤中のサイズを持っている • 配列の⼤きさを容量（capacity）という ◦ リストの作成時に、初期容量を指定できる • リストに保持するデータを要素（element）という

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末尾に要素を追加 → O(1) 配列に空きがある場合 1. 空いてる末尾にデータを⼊れる 2. サイズを + 1

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末尾に要素を追加 → O(n) 配列に空きがない場合 1. より⼤きな新しい配列を⽤意し、データをコピー 2. 新しい配列の空いてる末尾にデータを⼊れる 3. サイズを + 1

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途中に要素を追加 → O(n) 1. 追加したい要素以降を後ろにコピー 2. 空いた箇所にデータを⼊れる 3. サイズを + 1

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末尾の要素を削除 → O(1) 1. 末尾の要素を n nu ul ll l で上書き 2. サイズを - 1

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途中の要素を削除 → O(n) 1. 削除したい要素以降を前にコピー 2. 末尾の要素を n nu ul ll l で上書き 3. サイズを - 1

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インデックスで要素を取得 → O(1) 1. 配列の指定されたインデックスにアクセス

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ある要素が含まれているか → O(n) 1. 先頭から順番に、⼀致する要素があるか判定⼀致するかどうか要素の equals メソッドで判定 Java の場合

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リストが⼀致しているか → O(n) 1. 先頭から順番に、すべての要素が⼀致しているか判定

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マルチスレッド非対応の理由 • 要素の変更（追加、削除、etc...）は、内部の配列への変更とサイズの変更を⾏う ◦ 2つの変更はアトミックに⾏われることを前提としている • 複数のスレッドから変更を⾏うと… ◦ 処理の割り込みにより、内部が⽭盾した状態になることがある

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マルチスレッドで壊れる例複数のスレッドが同時に追加した場合スレッド1 スレッド2 末尾に要素を追加 ↓ 末尾に要素を追加サイズを +1 ↓ サイズを +1 この結果…（次ページ）

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マルチスレッドで壊れる例 • 追加したはずのデータが消える ◦ どちらかが上書きしてしまう • 現在の状態とサイズが⽭盾する ◦ サイズと配列の要素数が⼀致しない

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マルチスレッドで使う場合 • ArrayList を synchronizedList でラップする v va ar r l li is st t = = n ne ew w A Ar rr ra ay yL Li is st t< >( (. .. .. .) ); ; v va ar r s sy yn nc cL Li is st t = = C Co ol ll le ec ct ti io on ns s. .s sy yn nc ch hr ro on ni iz ze ed dL Li is st t( (l li is st t) ); ; • または CopyOnWriteArrayList（スレッドセーフな ArrayList 実装）を使う

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ArrayList の実装（ソースコードを読む）

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注目ポイント • 処理の流れ • 処理の⼯夫 ◦ どのような最適化が施されているか • 標準ライブラリゆえの苦悩 ◦ そんなことも考えなきゃいけないの︖という点

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⚠ 注意 • ここからは Java 23 のコードを元に説明します。 ◦ 今後のバージョンで変わるかもしれません。 • 紹介するコードは、説明の都合で⼀部を省略したり、メソッドをまとめたりしています。 • ぜひ実際のコードもご確認ください。 https://github.com/openjdk/jdk/blob/master/src/java.base/ share/classes/java/util/ArrayList.java

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実装を読むメソッド • フィールド変数 • コンストラクタ • 要素の追加（add） • 〃取得（get） • 〃削除（remove） • ある要素が含まれているか︖（contains） • リストが⼀致しているか︖（equals）

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フィールド変数 / // / データ格納用の配列 t tr ra an ns si ie en nt t O Ob bj je ec ct t[ [] ] e el le em me en nt tD Da at ta a; ; ↑ ↑ シリアル化の対象外にする修飾子 / // / 現在使用中のサイズ p pr ri iv va at te e i in nt t s si iz ze e; ; ( (A Ab bs st tr ra ac ct tL Li is st t) ) / // / 構造が変更された回数（ループ中の変更を検出するための変数） p pr ro ot te ec ct te ed d t tr ra an ns si ie en nt t i in nt t m mo od dC Co ou un nt t = = 0 0; ;

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コンストラクタ • A Ar rr ra ay yL Li is st t( () ) ◦ 初期容量10で空のリストを作成 • A Ar rr ra ay yL Li is st t( (i in nt t i in ni it ti ia al lC Ca ap pa ac ci it ty y) ) ◦ 指定された初期容量で空のリストを作成 • A Ar rr ra ay yL Li is st t( (C Co ol ll le ec ct ti io on n< ? e ex xt te en nd ds s E E> > c c) ) ◦ コピーコンストラクタ ◦ 指定されたコレクションをコピーしたリストを作成

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ArrayList() - 古い実装初期容量10で空のリストを作成 p pu ub bl li ic c A Ar rr ra ay yL Li is st t( () ) { { t th hi is s( (1 10 0) ); ; } } • 初期容量を指定するコンストラクタを呼び出す ◦ t th hi is s. .e el le em me en nt tD Da at ta a = = n ne ew w O Ob bj je ec ct t[ [1 10 0] ] となる Java 7 Update 40 以降では、次ページの遅延初期化する実装に変更この実装は Java 7 Update 25 まで

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ArrayList() - 現在の実装 p pr ri iv va at te e s st ta at ti ic c f fi in na al l O Ob bj je ec ct t[ [] ] D DE EF FA AU UL LT TC CA AP PA AC CI IT TY Y_ _E EM MP PT TY Y_ _E EL LE EM ME EN NT TD DA AT TA A = = { {} }; ; p pu ub bl li ic c A Ar rr ra ay yL Li is st t( () ) { { t th hi is s. .e el le em me en nt tD Da at ta a = =D DE EF FA AU UL LT TC CA AP PA AC CI IT TY Y_ _E EM MP PT TY Y_ _E EL LE EM ME EN NT TD DA AT TA A; ; } } • 配列を作成せず、Singleton な空配列を使う ◦ 最初に a ad dd d メソッドが呼ばれた際に作成（遅延初期化） ◦ ArrayList を作っても要素の追加が⾏われないことが多々あるため（JDK-7143928）

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ArrayList(int initialCapacity) 指定された初期容量で空のリストを作成 p pr ri iv va at te e s st ta at ti ic c f fi in na al l O Ob bj je ec ct t[ [] ] E EM MP PT TY Y_ _E EL LE EM ME EN NT TD DA AT TA A = = { {} }; ; p pu ub bl li ic c A Ar rr ra ay yL Li is st t( (i in nt t i in ni it ti ia al lC Ca ap pa ac ci it ty y) ) { { i if f ( (i in ni it ti ia al lC Ca ap pa ac ci it ty y > > 0 0) ) { { t th hi is s. .e el le em me en nt tD Da at ta a = = n ne ew w O Ob bj je ec ct t[ [i in ni it ti ia al lC Ca ap pa ac ci it ty y] ]; ; } } e el ls se e i if f ( (i in ni it ti ia al lC Ca ap pa ac ci it ty y = == = 0 0) ) { { t th hi is s. .e el le em me en nt tD Da at ta a = = E EM MP PT TY Y_ _E EL LE EM ME EN NT TD DA AT TA A; ; } } e el ls se e { { t th hr ro ow w n ne ew w I Il ll le eg ga al lA Ar rg gu um me en nt tE Ex xc ce ep pt ti io on n( (… …s sn ni ip p… …) ); ; } } } }

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ArrayList(int initialCapacity) 引数 i in ni it ti ia al lC Ca ap pa ac ci it ty y が … 1. > 0 の場合 ◦ i in ni it ti ia al lC Ca ap pa ac ci it ty y の容量の配列を作成し、 t th hi is s. .e el le em me en nt tD Da at ta a に代⼊ 2. == 0 の場合 ◦ Singleton の空配列 E EM MP PT TY Y_ _E EL LE EM ME EN NT TD DA AT TA A を、 t th hi is s. .e el le em me en nt tD Da at ta a に代⼊ 3. < 0 の場合 ◦ I Il ll le eg ga al lA Ar rg gu um me en nt tE Ex xc ce ep pt ti io on n をスロー

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ArrayList(Collection extends E> c) 指定されたコレクションをコピーしたリストを作成 p pu ub bl li ic c A Ar rr ra ay yL Li is st t( (C Co ol ll le ec ct ti io on n< ? e ex xt te en nd ds s E E> > c c) ) { { O Ob bj je ec ct t[ [] ] a a = = c c. .t to oA Ar rr ra ay y( () ); ; i if f ( (( (t th hi is s. .s si iz ze e = = a a. .l le en ng gt th h) ) ! != = 0 0) ) { { i if f ( (c c. .g ge et tC Cl la as ss s( () ) = == = A Ar rr ra ay yL Li is st t. .c cl la as ss s) ) { { t th hi is s. .e el le em me en nt tD Da at ta a = = a a; ; } } e el ls se e { { t th hi is s. .e el le em me en nt tD Da at ta a = = A Ar rr ra ay ys s. .c co op py yO Of f( (a a, , s si iz ze e, , O Ob bj je ec ct t[ [] ]. .c cl la as ss s) ); ; } } } } e el ls se e { { t th hi is s. .e el le em me en nt tD Da at ta a = = E EM MP PT TY Y_ _E EL LE EM ME EN NT TD DA AT TA A; ; } }

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ArrayList(Collection extends E> c) 1. c c. .t to oA Ar rr ra ay y( () ) によりコレクションの配列を取得 2. 取得した配列の⻑さを t th hi is s. .s si iz ze e に代⼊ 3. t th hi is s. .s si iz ze e > 0 の場合 ◦ （次ページに記載） 4. t th hi is s. .s si iz ze e == 0 の場合 ◦ Singleton の空配列 E EM MP PT TY Y_ _E EL LE EM ME EN NT TD DA AT TA A を、 t th hi is s. .e el le em me en nt tD Da at ta a に代⼊

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ArrayList(Collection extends E> c) t th hi is s. .s si iz ze e > 0 の場合 1. 引数 c c が ArrayList の場合 ◦ 取得した配列 a a をt th hi is s. .e el le em me en nt tD Da at ta a に代⼊ 2. 引数 c c が ArrayList 以外の場合 ◦ 取得した配列 a a の中⾝を新しい O Ob bj je ec ct t[ [] ] にコピーしてから、t th hi is s. .e el le em me en nt tD Da at ta a に代⼊（防御的コピー） → なぜ防御的コピーが必要︖ → なぜ ArrayList の場合は不要︖

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防御的コピーをする理由 (1) • Collection の t to oA Ar rr ra ay y( () ) の戻り値の型は O Ob bj je ec ct t[ [] ] → 任意の型の配列（S St tr ri in ng g[ [] ]など）を返すことができてしまう（配列の共変性） • もし O Ob bj je ec ct t[ [] ] 以外だったら︖ ◦ そのまま t th hi is s. .e el le em me en nt tD Da at ta a に使ってしまうと、リストの変更時に ArrayStoreException のリスク︕ これを避けるため、新しく O Ob bj je ec ct t[ [] ] を作りコピーしている

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防御的コピーをする理由 (2) • 配列の参照を、元のコレクションが保持してるかも︖ p pu ub bl li ic c E Ev vi il lC Co ol ll le ec ct ti io on n i im mp pl le em me en nt ts s C Co ol ll le ec ct ti io on n< > { { p pu ub bl li ic c O Ob bj je ec ct t[ [] ] e el le em me en nt ts s = = n ne ew w O Ob bj je ec ct t[ [1 10 0] ]; ; p pu ub bl li ic c O Ob bj je ec ct t[ [] ] t to oA Ar rr ra ay y( () ) { { r re et tu ur rn n e el le em me en nt ts s; ; } } } } • この場合、EvilCollection の e el le em me en nt ts s を操作することで、 ArrayList の外部から変更ができてしまう︕ ◦ コンストラクタ内でコピーすることで、できなくする

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ArrayList の場合、コピーは不要︖ • ArrayList の t to oA Ar rr ra ay y( () ) の場合 ◦ 新しい O Ob bj je ec ct t[ [] ] にコピーしたものを返しているから、そのまま使って⼤丈夫 p pu ub bl li ic c O Ob bj je ec ct t[ [] ] t to oA Ar rr ra ay y( () ) { { r re et tu ur rn n A Ar rr ra ay ys s. .c co op py yO Of f( (e el le em me en nt tD Da at ta a, , s si iz ze e) ); ; } }

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boolean add(E e) 末尾に、指定された要素を追加 p pu ub bl li ic c b bo oo ol le ea an n a ad dd d( (E E e e) ) { { m mo od dC Co ou un nt t+ ++ +; ; a ad dd d( (e e, , e el le em me en nt tD Da at ta a, , s si iz ze e) ); ; r re et tu ur rn n t tr ru ue e; ; } } p pr ri iv va at te e v vo oi id d a ad dd d( (E E e e, , O Ob bj je ec ct t[ [] ] e el le em me en nt tD Da at ta a, , i in nt t s s) ) { { i if f ( (s s = == = e el le em me en nt tD Da at ta a. .l le en ng gt th h) ) e el le em me en nt tD Da at ta a = = g gr ro ow w( (s si iz ze e + + 1 1) ); ; e el le em me en nt tD Da at ta a[ [s s] ] = = e e; ; t th hi is s. .s si iz ze e = = s s + + 1 1; ; } }

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boolean add(E e) 1. t th hi is s. .m mo od dC Co ou un nt t を + 1 2. 空きがない場合 ◦ g gr ro ow w( (s si iz ze e + + 1 1) ) で新しい容量の配列を作る（後述） 3. 最後尾にオブジェクトを追加 4. t th hi is s. .s si iz ze e を + 1 5. t tr ru ue e を return

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void add(int index, E element) 指定された位置に、指定された要素を追加 p pu ub bl li ic c v vo oi id d a ad dd d( (i in nt t i in nd de ex x, , E E e el le em me en nt t) ) { { r ra an ng ge eC Ch he ec ck kF Fo or rA Ad dd d( (i in nd de ex x) ); ; m mo od dC Co ou un nt t+ ++ +; ; f fi in na al l i in nt t s s; ; O Ob bj je ec ct t[ [] ] e el le em me en nt tD Da at ta a = = t th hi is s. .e el le em me en nt tD Da at ta a; ; i if f ( (( (s s = = s si iz ze e) ) = == = e el le em me en nt tD Da at ta a. .l le en ng gt th h) ) e el le em me en nt tD Da at ta a = = g gr ro ow w( (s s + + 1 1) ); ; S Sy ys st te em m. .a ar rr ra ay yc co op py y( (e el le em me en nt tD Da at ta a, , i in nd de ex x, , e el le em me en nt tD Da at ta a, , i in nd de ex x + + 1 1, , s s - - i in nd de ex x) ); ; e el le em me en nt tD Da at ta a[ [i in nd de ex x] ] = = e el le em me en nt t; ; s si iz ze e = = s s + + 1 1; ; } }

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void add(int index, E element) 1. 範囲外（i in nd de ex x < < 0 0 または i in nd de ex x > >= = s si iz ze e）の場合 ◦ IndexOutOfBoundsException をスロー 2. t th hi is s. .m mo od dC Co ou un nt t を + 1 3. 空きがない場合 ◦ g gr ro ow w( (s si iz ze e + + 1 1) ) で新しい容量の配列を作る（後述） 4. 指定されたインデックス + 1 以降を、⼀つ後ろにコピー 5. 指定されたインデックスにオブジェクトを追加 6. t th hi is s. .s si iz ze e を + 1

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grow(int minCapacity) 新しい⻑さの配列を作り直す p pr ri iv va at te e O Ob bj je ec ct t[ [] ] g gr ro ow w( (i in nt t m mi in nC Ca ap pa ac ci it ty y) ) { { i in nt t o ol ld dC Ca ap pa ac ci it ty y = = e el le em me en nt tD Da at ta a. .l le en ng gt th h; ; i if f ( (o ol ld dC Ca ap pa ac ci it ty y > > 0 0 | || | e el le em me en nt tD Da at ta a ! != = D DE EF FA AU UL LT TC CA AP PA AC CI IT TY Y_ _E EM MP PT TY Y_ _E EL LE EM ME EN NT TD DA AT TA A) ) { { / // / 省略：必要な容量を計算 r re et tu ur rn n e el le em me en nt tD Da at ta a = = A Ar rr ra ay ys s. .c co op py yO Of f( (e el le em me en nt tD Da at ta a, , n ne ew wC Ca ap pa ac ci it ty y) ); ; } } e el ls se e { { r re et tu ur rn n e el le em me en nt tD Da at ta a = = n ne ew w O Ob bj je ec ct t[ [M Ma at th h. .m ma ax x( (D DE EF FA AU UL LT T_ _C CA AP PA AC CI IT TY Y, , m mi in nC Ca ap pa ac ci it ty y) )] ]; ; } }

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grow(int minCapacity) 1. 引数なしコンストラクタを実⾏し、まだ空の場合 1. 引数 m mi in nC Ca ap pa ac ci it ty y か D DE EF FA AU UL LT T_ _C CA AP PA AC CI IT TY Y（= 10）のいずれか⼤きい⽅の容量で新しく配列を作成このタイミングで遅延初期化するポイント１

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grow(int minCapacity) 1. 初期化済みの場合 1. 引数 m mi in nC Ca ap pa ac ci it ty y か現在の容量の 1.5倍の⼤きい⽅を容量とする（例外あり、最後に解説） 2. 新しい配列に、現在の配列の内容をコピー 3. t th hi is s. .e el le em me en nt tD Da at ta a を新しい配列に差し替え最低限必要な分ではなく、まとめて⼤きくするポイント２

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補⾜︓容量の拡⼤・縮⼩ • a ad dd d( (E E) )せずに容量を拡⼤したい場合 ◦ e en ns su ur re eC Ca ap pa ac ci it ty y( (i in nt t m mi in nC Ca ap pa ac ci it ty y) ) を使う ◦ ⼤量の要素を追加する前に使うと、配列のコピーを減らせる • 容量は⾃動的に縮⼩しない ◦ 縮⼩するには、明⽰的に t tr ri im mT To oS Si iz ze e( () ) を実⾏する ◦ 要素をもう追加しないと確定したときに使うと、メモリ使⽤量を減らせる

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E get(int index) このリスト内の指定された位置にある要素を返す p pu ub bl li ic c E E g ge et t( (i in nt t i in nd de ex x) ) { { O Ob bj je ec ct ts s. .c ch he ec ck kI In nd de ex x( (i in nd de ex x, , t th hi is s. .s si iz ze e) ); ; / // / 1 1 r re et tu ur rn n ( (E E) ) t th hi is s. .e el le em me en nt tD Da at ta a[ [i in nd de ex x] ]; ; / // / 2 2 } } 1. 範囲外（i in nd de ex x < < 0 0 または i in nd de ex x > >= = s si iz ze e）の場合 ◦ IndexOutOfBoundsException をスロー 2. t th hi is s. .e el le em me en nt tD Da at ta a[ [i in nd de ex x] ] を return

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E remove(int index) 指定された位置にある要素を削除 p pu ub bl li ic c E E r re em mo ov ve e( (i in nt t i in nd de ex x) ) { { O Ob bj je ec ct ts s. .c ch he ec ck kI In nd de ex x( (i in nd de ex x, , s si iz ze e) ); ; f fi in na al l O Ob bj je ec ct t[ [] ] e es s = = e el le em me en nt tD Da at ta a; ; E E o ol ld dV Va al lu ue e = = ( (E E) ) e es s[ [i in nd de ex x] ]; ; f fa as st tR Re em mo ov ve e( (e es s, , i in nd de ex x) ); ; / // / （次ページ参照） r re et tu ur rn n o ol ld dV Va al lu ue e; ; } }

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void fastRemove(Object[] es, int i) 指定された位置にある要素を削除 p pr ri iv va at te e v vo oi id d f fa as st tR Re em mo ov ve e( (O Ob bj je ec ct t[ [] ] e es s, , i in nt t i i) ) { { m mo od dC Co ou un nt t+ ++ +; ; f fi in na al l i in nt t n ne ew wS Si iz ze e; ; i if f ( (( (n ne ew wS Si iz ze e = = t th hi is s. .s si iz ze e - - 1 1) ) > > i i) ) S Sy ys st te em m. .a ar rr ra ay yc co op py y( (e es s, , i i + + 1 1, , e es s, , i i, , n ne ew wS Si iz ze e - - i i) ); ; e es s[ [s si iz ze e = = n ne ew wS Si iz ze e] ] = = n nu ul ll l; ; } }

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void fastRemove(Object[] es, int i) 1. t th hi is s. .m mo od dC Co ou un nt t を + 1 2. 指定されたインデックスが末尾でない場合 ◦ 指定されたインデックス + 1 以降を、⼀つ⼿前にコピーを代⼊ 3. サイズを更新 4. 末尾の要素に n nu ul ll l を代⼊

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boolean contains(Object o) 指定された要素がこのリストに含まれているかどうか p pu ub bl li ic c b bo oo ol le ea an n c co on nt ta ai in ns s( (O Ob bj je ec ct t o o) ) { { r re et tu ur rn n i in nd de ex xO Of f( (o o) ) > >= = 0 0; ; } } → i in nd de ex xO Of f( (O Ob bj je ec ct t o o) ) を呼ぶだけ

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int indexOf(Object o) p pu ub bl li ic c i in nt t i in nd de ex xO Of f( (O Ob bj je ec ct t o o) ) { { r re et tu ur rn n i in nd de ex xO Of fR Ra an ng ge e( (o o, , 0 0, , s si iz ze e) ); ; } } i in nt t i in nd de ex xO Of fR Ra an ng ge e( (O Ob bj je ec ct t o o, , i in nt t s st ta ar rt t, , i in nt t e en nd d) ) { { O Ob bj je ec ct t[ [] ] e es s = = e el le em me en nt tD Da at ta a; ; i if f ( (o o = == = n nu ul ll l) ) { { / // / 引数が n nu ul ll l の検索処理（次ページ） } } e el ls se e { { / // / 引数が n nu ul ll l 以外の検索処理（次々ページ） } } r re et tu ur rn n - -1 1; ; / // / 見つからなかった } }

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o o = == = n nu ul ll l の検索処理 f fo or r ( (i in nt t i i = = s st ta ar rt t; ; i i < < e en nd d; ; i i+ ++ +) ) { { i if f ( (e es s[ [i i] ] = == = n nu ul ll l) ) { { r re et tu ur rn n i i; ; } } } } • 先頭から順に、要素が n nu ul ll l か確認 ◦ n nu ul ll l なら、そのインデックスを return

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o o ! != = n nu ul ll l の検索処理 f fo or r ( (i in nt t i i = = s st ta ar rt t; ; i i < < e en nd d; ; i i+ ++ +) ) { { i if f ( (o o. .e eq qu ua al ls s( (e es s[ [i i] ]) )) ) { { r re et tu ur rn n i i; ; } } } } • 先頭から順に、引数のオブジェクトの e eq qu ua al ls s メソッドで判定 ◦ 戻り値が t tr ru ue e なら、そのインデックスを return

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boolean equals(Object o) p pu ub bl li ic c b bo oo ol le ea an n e eq qu ua al ls s( (O Ob bj je ec ct t o o) ) { { i if f ( (o o = == = t th hi is s) ) { { r re et tu ur rn n t tr ru ue e; ; / // / 1 1 } } i if f ( (! !( (o o i in ns st ta an nc ce eo of f L Li is st t) )) ) { { r re et tu ur rn n f fa al ls se e; ; / // / 2 2 } } / // / 次ページへ 1. 同じオブジェクトなら t tr ru ue e 2. ⽐較対象が List でなければ f fa al ls se e

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boolean equals(Object o) f fi in na al l i in nt t e ex xp pe ec ct te ed dM Mo od dC Co ou un nt t = = m mo od dC Co ou un nt t; ; b bo oo ol le ea an n e eq qu ua al l = = ( (o o. .g ge et tC Cl la as ss s( () ) = == = A Ar rr ra ay yL Li is st t. .c cl la as ss s) ) ? ? e eq qu ua al ls sA Ar rr ra ay yL Li is st t( (( (A Ar rr ra ay yL Li is st t< ?> >) ) o o) ) : : e eq qu ua al ls sR Ra an ng ge e( (( (L Li is st t< ?> >) ) o o, , 0 0, , s si iz ze e) ); ; / // / 1 1 c ch he ec ck kF Fo or rC Co om mo od di if fi ic ca at ti io on n( (e ex xp pe ec ct te ed dM Mo od dC Co ou un nt t) ); ; / // / 2 2 r re et tu ur rn n e eq qu ua al l; ; } } 1. ⽐較対象が ArrayList かどうかで分岐 (Java 11 〜) 2. ⽐較処理中に m mo od dC Co ou un nt t が変わっていた場合 ◦ C Co on nc cu ur rr re en nt tM Mo od di if fi ic ca at ti io on nE Ex xc ce ep pt ti io on n をスロー

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ArrayList との⽐較処理 p pr ri iv va at te e b bo oo ol le ea an n e eq qu ua al ls sA Ar rr ra ay yL Li is st t( (A Ar rr ra ay yL Li is st t< ?> > o ot th he er r) ) { { f fi in na al l i in nt t o ot th he er rM Mo od dC Co ou un nt t = = o ot th he er r. .m mo od dC Co ou un nt t; ; f fi in na al l i in nt t s s = = s si iz ze e; ; b bo oo ol le ea an n e eq qu ua al l; ; i if f ( (e eq qu ua al l = = ( (s s = == = o ot th he er r. .s si iz ze e) )) ) { { / // / 1 1 / // / 各要素の比較処理（後述） } } o ot th he er r. .c ch he ec ck kF Fo or rC Co om mo od di if fi ic ca at ti io on n( (o ot th he er rM Mo od dC Co ou un nt t) ); ; / // / 2 2 r re et tu ur rn n e eq qu ua al l; ; } }

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ArrayList との⽐較処理 1. ⽐較対象とのサイズが⼀致する場合 ◦ すべての要素が⼀致するか⽐較（次ページ） ◦ （不⼀致なら、f fa al ls se e で確定） 2. ⽐較処理中に⽐較対象の m mo od dC Co ou un nt t が変わっていた場合 ◦ C Co on nc cu ur rr re en nt tM Mo od di if fi ic ca at ti io on nE Ex xc ce ep pt ti io on n をスロー

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各要素との⽐較処理 f fi in na al l O Ob bj je ec ct t[ [] ] o ot th he er rE Es s = = o ot th he er r. .e el le em me en nt tD Da at ta a; ; f fi in na al l O Ob bj je ec ct t[ [] ] e es s = = e el le em me en nt tD Da at ta a; ; i if f ( (s s > > e es s. .l le en ng gt th h | || | s s > > o ot th he er rE Es s. .l le en ng gt th h) ) { { / // / 1 1 t th hr ro ow w n ne ew w C Co on nc cu ur rr re en nt tM Mo od di if fi ic ca at ti io on nE Ex xc ce ep pt ti io on n( () ); ; } } f fo or r ( (i in nt t i i = = 0 0; ; i i < < s s; ; i i+ ++ +) ) { { i if f ( (! !O Ob bj je ec ct ts s. .e eq qu ua al ls s( (e es s[ [i i] ], , o ot th he er rE Es s[ [i i] ]) )) ) { { / // / 2 2 e eq qu ua al l = = f fa al ls se e; ; b br re ea ak k; ; } } } }

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各要素との⽐較処理 1. 配列の⻑さが、サイズよりも⼤きい場合 ◦ C Co on nc cu ur rr re en nt tM Mo od di if fi ic ca at ti io on nE Ex xc ce ep pt ti io on n をスロー 2. 配列をループ ◦ O Ob bj je ec ct ts s. .e eq qu ua al ls s( (e es s[ [i i] ], , o ot th he er rE Es s[ [i i] ]) ) で⽐較引数 a, b が等しい場合は t tr ru ue e を返す（以下のいずれか） • 同じオブジェクト（a a = == = b b） • 引数が両⽅とも n nu ul ll l • a a ! != = n nu ul ll l かつ a a. .e eq qu ua al ls s( (b b) ) Objects.equals(a,b)

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boolean equals(Object o) （再掲）続いて、ArrayList 以外との⽐較の場合 f fi in na al l i in nt t e ex xp pe ec ct te ed dM Mo od dC Co ou un nt t = = m mo od dC Co ou un nt t; ; b bo oo ol le ea an n e eq qu ua al l = = ( (o o. .g ge et tC Cl la as ss s( () ) = == = A Ar rr ra ay yL Li is st t. .c cl la as ss s) ) ? ? e eq qu ua al ls sA Ar rr ra ay yL Li is st t( (( (A Ar rr ra ay yL Li is st t< ?> >) ) o o) ) : : e eq qu ua al ls sR Ra an ng ge e( (( (L Li is st t< ?> >) ) o o, , 0 0, , s si iz ze e) ); ; c ch he ec ck kF Fo or rC Co om mo od di if fi ic ca at ti io on n( (e ex xp pe ec ct te ed dM Mo od dC Co ou un nt t) ); ; r re et tu ur rn n e eq qu ua al l; ; } }

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ArrayList 以外との⽐較 b bo oo ol le ea an n e eq qu ua al ls sR Ra an ng ge e( (L Li is st t< ?> > o ot th he er r, , i in nt t f fr ro om m, , i in nt t t to o) ) { { f fi in na al l O Ob bj je ec ct t[ [] ] e es s = = e el le em me en nt tD Da at ta a; ; v va ar r o oi it t = = o ot th he er r. .i it te er ra at to or r( () ); ; f fo or r ( (; ; f fr ro om m < < t to o; ; f fr ro om m+ ++ +) ) { { i if f ( (! !o oi it t. .h ha as sN Ne ex xt t( () ) | || | ! !O Ob bj je ec ct ts s. .e eq qu ua al ls s( (e es s[ [f fr ro om m] ], , o oi it t. .n ne ex xt t( () )) )) ) { { r re et tu ur rn n f fa al ls se e; ; } } } } r re et tu ur rn n ! !o oi it t. .h ha as sN Ne ex xt t( () ); ; } }

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ArrayList 以外との⽐較 1. ⾃⾝の配列をループ 1. iterator から⽐較対象の要素を取得し、要素がないか要素が不⼀致の場合、f fa al ls se e を return 2. ループの終了時点で、 ◦ ⽐較対象の要素が残っている→ f fa al ls se e を return ◦ ⽐較対象の要素が残っていない → t tr ru ue e を return ⽐較対象のリストの s si iz ze e( () ) の実装が O(n) の可能性があるためサイズの⽐較はしない

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まとめ • インタフェース ◦ それぞれに違いがある ◦ List, SequencedCollection, Collection, Iterable • アルゴリズム ◦ ArrayList の変更 = 内部の配列とサイズの変更 ◦ 「速い操作」と「遅い操作」がある • 実装 ◦ 最適化がされた実装になっている ◦ 標準ライブラリの苦悩が垣間⾒える

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詳細解説︕ ArrayListの仕組みと実装 @YujiSoftware

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補⾜︓grow の新しい容量の決定⽅法 • 引数 m mi in nC Ca ap pa ac ci it ty y か現在の容量の 1.5倍（⼤きい⽅） • ただし、I In nt te eg ge er r. .M MA AX X_ _V VA AL LU UE E - - 8 8 を超える場合 ◦ I In nt te eg ge er r. .M MA AX X_ _V VA AL LU UE E - - 8 8 で、以降は現在の容量 + 1 • さらに I In nt te eg ge er r. .M MA AX X_ _V VA AL LU UE E（= 2,147,483,647）を超えるなら、OutOfMemoryError をスロー 1 10 0 → 1 15 5 → 2 22 2 → 3 33 3 → 4 49 9 → … …中略… … → 1 17 79 96 63 35 57 74 45 52 2 → 2 21 14 47 74 48 83 36 63 39 9 → 2 21 14 47 74 48 83 36 64 40 0 → 2 21 14 47 74 48 83 36 64 41 1 → … …中略… … → 2 21 14 47 74 48 83 36 64 47 7 → O Ou ut tO Of fM Me em mo or ry yE Er rr ro or r

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補⾜︓Integer.MAX_VALUE - 8 って︖ • S SO OF FT T_ _M MA AX X_ _A AR RR RA AY Y_ _L LE EN NG GT TH H という定数値 ◦ 作成できる配列の⻑さ上限ギリギリの値 (JDK-6933217) • Java ⾔語仕様上は I In nt te eg ge er r. .M MA AX X_ _V VA AL LU UE E まで • しかし、JVM の実装によっては I In nt te eg ge er r. .M MA AX X_ _V VA AL LU UE E に近い⻑さの配列を割り当てようとした場合、ヒープの空きに関わらず OutOfMemoryError（"Requested array size exceeds VM limit"）をスローする • I In nt te eg ge er r. .M MA AX X_ _V VA AL LU UE E - - 8 8 なら、どの JVM でも⼤丈夫配列の⻑さの上限

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参考資料 • Collections Framework (Java SE 22 & JDK 22) ◦ https://docs.oracle.com/javase/jp/22/docs/api/java.base/java/ util/doc-files/coll-index.html • Collections Framework ⼊門 - もちだ ◦ https://www.slideshare.net/mikeneck/jjugccc-2019-spring- collections-framework-jjug-jjugccc-cccc1 • Effective Java 第3版 | Joshua Bloch/著, 柴⽥芳樹/訳 ◦ https://www.amazon.co.jp/dp/4621303252

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参考資料 • ArrayList の防御的コピーについて ◦ Is there a good reason to split in two different cases the following ArrayList constructor in the OpenJDK code? - Stack Overflow ◦ https://stackoverflow.com/q/77574918/1932017