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ArrayList详细介绍(源码解析)和使用示例

第1部分 ArrayList介绍

ArrayList简介

ArrayList 是一个数组队列,相当于 动态数组。与Java中的数组相比,它的容量能动态增长。它继承于AbstractList,实现了List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable这些接口。

ArrayList 继承了AbstractList,实现了List。它是一个数组队列,提供了相关的添加、删除、修改、遍历等功能。
ArrayList 实现了RandmoAccess接口,即提供了随机访问功能。RandmoAccess是java中用来被List实现,为List提供快速访问功能的。在ArrayList中,我们即可以通过元素的序号快速获取元素对象;这就是快速随机访问。稍后,我们会比较List的“快速随机访问”和“通过Iterator迭代器访问”的效率。

ArrayList 实现了Cloneable接口,即覆盖了函数clone(),能被克隆。

ArrayList 实现java.io.Serializable接口,这意味着ArrayList支持序列化,能通过序列化去传输。

 

和Vector不同,ArrayList中的操作不是线程安全的!所以,建议在单线程中才使用ArrayList,而在多线程中可以选择Vector或者CopyOnWriteArrayList。

 

ArrayList构造函数

// 默认构造函数
ArrayList()

// capacity是ArrayList的默认容量大小。当由于增加数据导致容量不足时,容量会添加上一次容量大小的一半。
ArrayList(int capacity)

// 创建一个包含collection的ArrayList
ArrayList(Collection<? extends E> collection)

ArrayList的API

// Collection中定义的API
boolean             add(E object)
boolean             addAll(Collection<? extends E> collection)
void                clear()
boolean             contains(Object object)
boolean             containsAll(Collection<?> collection)
boolean             equals(Object object)
int                 hashCode()
boolean             isEmpty()
Iterator<E>         iterator()
boolean             remove(Object object)
boolean             removeAll(Collection<?> collection)
boolean             retainAll(Collection<?> collection)
int                 size()
<T> T[]             toArray(T[] array)
Object[]            toArray()
// AbstractCollection中定义的API
void                add(int location, E object)
boolean             addAll(int location, Collection<? extends E> collection)
E                   get(int location)
int                 indexOf(Object object)
int                 lastIndexOf(Object object)
ListIterator<E>     listIterator(int location)
ListIterator<E>     listIterator()
E                   remove(int location)
E                   set(int location, E object)
List<E>             subList(int start, int end)
// ArrayList新增的API
Object               clone()
void                 ensureCapacity(int minimumCapacity)
void                 trimToSize()
void                 removeRange(int fromIndex, int toIndex)

第2部分 ArrayList数据结构

ArrayList的继承关系

java.lang.Object
   ↳     java.util.AbstractCollection<E>
         ↳     java.util.AbstractList<E>
               ↳     java.util.ArrayList<E>

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {}
复制代码

 

ArrayList与Collection关系如下图

ArrayList包含了两个重要的对象:elementData 和 size。

(01) elementData 是”Object[]类型的数组”,它保存了添加到ArrayList中的元素。实际上,elementData是个动态数组,我们能通过构造函数 ArrayList(int initialCapacity)来执行它的初始容量为initialCapacity;如果通过不含参数的构造函数ArrayList()来创建ArrayList,则elementData的容量默认是10。elementData数组的大小会根据ArrayList容量的增长而动态的增长,具体的增长方式,请参考源码分析中的ensureCapacity()函数。

(02) size 则是动态数组的实际大小。

 

第3部分 ArrayList源码解析(基于JDK1.6.0_45)

为了更了解ArrayList的原理,下面对ArrayList源码代码作出分析。ArrayList是通过数组实现的,源码比较容易理解。

复制代码
  1 package java.util;
  2 
  3 public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
  4         implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
  5 {
  6     // 序列版本号
  7     private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;
  8 
  9     // 保存ArrayList中数据的数组
 10     private transient Object[] elementData;
 11 
 12     // ArrayList中实际数据的数量
 13     private int size;
 14 
 15     // ArrayList带容量大小的构造函数。
 16     public ArrayList(int initialCapacity) {
 17         super();
 18         if (initialCapacity < 0)
 19             throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
 20                                                initialCapacity);
 21         // 新建一个数组
 22         this.elementData = new Object[initialCapacity];
 23     }
 24 
 25     // ArrayList构造函数。默认容量是10。
 26     public ArrayList() {
 27         this(10);
 28     }
 29 
 30     // 创建一个包含collection的ArrayList
 31     public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
 32         elementData = c.toArray();
 33         size = elementData.length;
 34         // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
 35         if (elementData.getClass() != Object[].class)
 36             elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
 37     }
 38 
 39 
 40     // 将当前容量值设为 =实际元素个数
 41     public void trimToSize() {
 42         modCount++;
 43         int oldCapacity = elementData.length;
 44         if (size < oldCapacity) {
 45             elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);
 46         }
 47     }
 48 
 49 
 50     // 确定ArrarList的容量。
 51     // 若ArrayList的容量不足以容纳当前的全部元素,设置 新的容量=“(原始容量x3)/2 + 1”
 52     public void ensureCapacity(int minCapacity) {
 53         // 将“修改统计数”+1
 54         modCount++;
 55         int oldCapacity = elementData.length;
 56         // 若当前容量不足以容纳当前的元素个数,设置 新的容量=“(原始容量x3)/2 + 1”
 57         if (minCapacity > oldCapacity) {
 58             Object oldData[] = elementData;
 59             int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1;
 60             if (newCapacity < minCapacity)
 61                 newCapacity = minCapacity;
 62             elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
 63         }
 64     }
 65 
 66     // 添加元素e
 67     public boolean add(E e) {
 68         // 确定ArrayList的容量大小
 69         ensureCapacity(size + 1);  // Increments modCount!!
 70         // 添加e到ArrayList中
 71         elementData[size++] = e;
 72         return true;
 73     }
 74 
 75     // 返回ArrayList的实际大小
 76     public int size() {
 77         return size;
 78     }
 79 
 80     // 返回ArrayList是否包含Object(o)
 81     public boolean contains(Object o) {
 82         return indexOf(o) >= 0;
 83     }
 84 
 85     // 返回ArrayList是否为空
 86     public boolean isEmpty() {
 87         return size == 0;
 88     }
 89 
 90     // 正向查找,返回元素的索引值
 91     public int indexOf(Object o) {
 92         if (o == null) {
 93             for (int i = 0; i < size; i++)
 94             if (elementData[i]==null)
 95                 return i;
 96             } else {
 97                 for (int i = 0; i < size; i++)
 98                 if (o.equals(elementData[i]))
 99                     return i;
100             }
101             return -1;
102         }
103 
104         // 反向查找,返回元素的索引值
105         public int lastIndexOf(Object o) {
106         if (o == null) {
107             for (int i = size-1; i >= 0; i--)
108             if (elementData[i]==null)
109                 return i;
110         } else {
111             for (int i = size-1; i >= 0; i--)
112             if (o.equals(elementData[i]))
113                 return i;
114         }
115         return -1;
116     }
117 
118     // 反向查找(从数组末尾向开始查找),返回元素(o)的索引值
119     public int lastIndexOf(Object o) {
120         if (o == null) {
121             for (int i = size-1; i >= 0; i--)
122             if (elementData[i]==null)
123                 return i;
124         } else {
125             for (int i = size-1; i >= 0; i--)
126             if (o.equals(elementData[i]))
127                 return i;
128         }
129         return -1;
130     }
131  
132 
133     // 返回ArrayList的Object数组
134     public Object[] toArray() {
135         return Arrays.copyOf(elementData, size);
136     }
137 
138     // 返回ArrayList的模板数组。所谓模板数组,即可以将T设为任意的数据类型
139     public <T> T[] toArray(T[] a) {
140         // 若数组a的大小 < ArrayList的元素个数;
141         // 则新建一个T[]数组,数组大小是“ArrayList的元素个数”,并将“ArrayList”全部拷贝到新数组中
142         if (a.length < size)
143             return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass());
144 
145         // 若数组a的大小 >= ArrayList的元素个数;
146         // 则将ArrayList的全部元素都拷贝到数组a中。
147         System.arraycopy(elementData, 0, a, 0, size);
148         if (a.length > size)
149             a[size] = null;
150         return a;
151     }
152 
153     // 获取index位置的元素值
154     public E get(int index) {
155         RangeCheck(index);
156 
157         return (E) elementData[index];
158     }
159 
160     // 设置index位置的值为element
161     public E set(int index, E element) {
162         RangeCheck(index);
163 
164         E oldValue = (E) elementData[index];
165         elementData[index] = element;
166         return oldValue;
167     }
168 
169     // 将e添加到ArrayList中
170     public boolean add(E e) {
171         ensureCapacity(size + 1);  // Increments modCount!!
172         elementData[size++] = e;
173         return true;
174     }
175 
176     // 将e添加到ArrayList的指定位置
177     public void add(int index, E element) {
178         if (index > size || index < 0)
179             throw new IndexOutOfBoundsException(
180             "Index: "+index+", Size: "+size);
181 
182         ensureCapacity(size+1);  // Increments modCount!!
183         System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
184              size - index);
185         elementData[index] = element;
186         size++;
187     }
188 
189     // 删除ArrayList指定位置的元素
190     public E remove(int index) {
191         RangeCheck(index);
192 
193         modCount++;
194         E oldValue = (E) elementData[index];
195 
196         int numMoved = size - index - 1;
197         if (numMoved > 0)
198             System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
199                  numMoved);
200         elementData[--size] = null; // Let gc do its work
201 
202         return oldValue;
203     }
204 
205     // 删除ArrayList的指定元素
206     public boolean remove(Object o) {
207         if (o == null) {
208                 for (int index = 0; index < size; index++)
209             if (elementData[index] == null) {
210                 fastRemove(index);
211                 return true;
212             }
213         } else {
214             for (int index = 0; index < size; index++)
215             if (o.equals(elementData[index])) {
216                 fastRemove(index);
217                 return true;
218             }
219         }
220         return false;
221     }
222 
223 
224     // 快速删除第index个元素
225     private void fastRemove(int index) {
226         modCount++;
227         int numMoved = size - index - 1;
228         // 从"index+1"开始,用后面的元素替换前面的元素。
229         if (numMoved > 0)
230             System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
231                              numMoved);
232         // 将最后一个元素设为null
233         elementData[--size] = null; // Let gc do its work
234     }
235 
236     // 删除元素
237     public boolean remove(Object o) {
238         if (o == null) {
239             for (int index = 0; index < size; index++)
240             if (elementData[index] == null) {
241                 fastRemove(index);
242             return true;
243             }
244         } else {
245             // 便利ArrayList,找到“元素o”,则删除,并返回true。
246             for (int index = 0; index < size; index++)
247             if (o.equals(elementData[index])) {
248                 fastRemove(index);
249             return true;
250             }
251         }
252         return false;
253     }
254 
255     // 清空ArrayList,将全部的元素设为null
256     public void clear() {
257         modCount++;
258 
259         for (int i = 0; i < size; i++)
260             elementData[i] = null;
261 
262         size = 0;
263     }
264 
265     // 将集合c追加到ArrayList中
266     public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
267         Object[] a = c.toArray();
268         int numNew = a.length;
269         ensureCapacity(size + numNew);  // Increments modCount
270         System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
271         size += numNew;
272         return numNew != 0;
273     }
274 
275     // 从index位置开始,将集合c添加到ArrayList
276     public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
277         if (index > size || index < 0)
278             throw new IndexOutOfBoundsException(
279             "Index: " + index + ", Size: " + size);
280 
281         Object[] a = c.toArray();
282         int numNew = a.length;
283         ensureCapacity(size + numNew);  // Increments modCount
284 
285         int numMoved = size - index;
286         if (numMoved > 0)
287             System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew,
288                  numMoved);
289 
290         System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);
291         size += numNew;
292         return numNew != 0;
293     }
294 
295     // 删除fromIndex到toIndex之间的全部元素。
296     protected void removeRange(int fromIndex, int toIndex) {
297     modCount++;
298     int numMoved = size - toIndex;
299         System.arraycopy(elementData, toIndex, elementData, fromIndex,
300                          numMoved);
301 
302     // Let gc do its work
303     int newSize = size - (toIndex-fromIndex);
304     while (size != newSize)
305         elementData[--size] = null;
306     }
307 
308     private void RangeCheck(int index) {
309     if (index >= size)
310         throw new IndexOutOfBoundsException(
311         "Index: "+index+", Size: "+size);
312     }
313 
314 
315     // 克隆函数
316     public Object clone() {
317         try {
318             ArrayList<E> v = (ArrayList<E>) super.clone();
319             // 将当前ArrayList的全部元素拷贝到v中
320             v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);
321             v.modCount = 0;
322             return v;
323         } catch (CloneNotSupportedException e) {
324             // this shouldn't happen, since we are Cloneable
325             throw new InternalError();
326         }
327     }
328 
329 
330     // java.io.Serializable的写入函数
331     // 将ArrayList的“容量,所有的元素值”都写入到输出流中
332     private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
333         throws java.io.IOException{
334     // Write out element count, and any hidden stuff
335     int expectedModCount = modCount;
336     s.defaultWriteObject();
337 
338         // 写入“数组的容量”
339         s.writeInt(elementData.length);
340 
341     // 写入“数组的每一个元素”
342     for (int i=0; i<size; i++)
343             s.writeObject(elementData[i]);
344 
345     if (modCount != expectedModCount) {
346             throw new ConcurrentModificationException();
347         }
348 
349     }
350 
351 
352     // java.io.Serializable的读取函数:根据写入方式读出
353     // 先将ArrayList的“容量”读出,然后将“所有的元素值”读出
354     private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
355         throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
356         // Read in size, and any hidden stuff
357         s.defaultReadObject();
358 
359         // 从输入流中读取ArrayList的“容量”
360         int arrayLength = s.readInt();
361         Object[] a = elementData = new Object[arrayLength];
362 
363         // 从输入流中将“所有的元素值”读出
364         for (int i=0; i<size; i++)
365             a[i] = s.readObject();
366     }
367 }

总结
(01) ArrayList 实际上是通过一个数组去保存数据的。当我们构造ArrayList时;若使用默认构造函数,则ArrayList的默认容量大小是10
(02) 当ArrayList容量不足以容纳全部元素时,ArrayList会重新设置容量:新的容量=“(原始容量x3)/2 + 1”
(03) ArrayList的克隆函数,即是将全部元素克隆到一个数组中。
(04) ArrayList实现java.io.Serializable的方式。当写入到输出流时,先写入“容量”,再依次写入“每一个元素”;当读出输入流时,先读取“容量”,再依次读取“每一个元素”。

 

第4部分 ArrayList遍历方式

ArrayList支持3种遍历方式

(01) 第一种,通过迭代器遍历。即通过Iterator去遍历。

Integer value = null;
Iterator iter = list.iterator();
while (iter.hasNext()) {
    value = (Integer)iter.next();
}

(02) 第二种,随机访问,通过索引值去遍历。
由于ArrayList实现了RandomAccess接口,它支持通过索引值去随机访问元素。

Integer value = null;
int size = list.size();
for (int i=0; i<size; i++) {
    value = (Integer)list.get(i);        
}

(03) 第三种,for循环遍历。如下:

Integer value = null;
for (Integer integ:list) {
    value = integ;
}

 

下面通过一个实例,比较这3种方式的效率,实例代码(ArrayListRandomAccessTest.java)如下:

 1 import java.util.*;
 2 import java.util.concurrent.*;
 3 
 4 /*
 5  * @desc ArrayList遍历方式和效率的测试程序。
 6  *
 7  * @author skywang
 8  */
 9 public class ArrayListRandomAccessTest {
10 
11     public static void main(String[] args) {
12         List list = new ArrayList();
13         for (int i=0; i<100000; i++)
14             list.add(i);
15         //isRandomAccessSupported(list);
16         iteratorThroughRandomAccess(list) ;
17         iteratorThroughIterator(list) ;
18         iteratorThroughFor2(list) ;
19     
20     }
21 
22     private static void isRandomAccessSupported(List list) {
23         if (list instanceof RandomAccess) {
24             System.out.println("RandomAccess implemented!");
25         } else {
26             System.out.println("RandomAccess not implemented!");
27         }
28 
29     }
30 
31     public static void iteratorThroughRandomAccess(List list) {
32 
33         long startTime;
34         long endTime;
35         startTime = System.currentTimeMillis();
36         for (int i=0; i<list.size(); i++) {
37             list.get(i);
38         }
39         endTime = System.currentTimeMillis();
40         long interval = endTime - startTime;
41         System.out.println("iteratorThroughRandomAccess:" + interval+" ms");
42     }
43 
44     public static void iteratorThroughIterator(List list) {
45 
46         long startTime;
47         long endTime;
48         startTime = System.currentTimeMillis();
49         for(Iterator iter = list.iterator(); iter.hasNext(); ) {
50             iter.next();
51         }
52         endTime = System.currentTimeMillis();
53         long interval = endTime - startTime;
54         System.out.println("iteratorThroughIterator:" + interval+" ms");
55     }
56 
57 
58     public static void iteratorThroughFor2(List list) {
59 
60         long startTime;
61         long endTime;
62         startTime = System.currentTimeMillis();
63         for(Object obj:list)
64             ;
65         endTime = System.currentTimeMillis();
66         long interval = endTime - startTime;
67         System.out.println("iteratorThroughFor2:" + interval+" ms");
68     }
69 }

运行结果

iteratorThroughRandomAccess:3 ms
iteratorThroughIterator:8 ms
iteratorThroughFor2:5 ms

由此可见,遍历ArrayList时,使用随机访问(即,通过索引序号访问)效率最高,而使用迭代器的效率最低!

 

第5部分 toArray()异常

当我们调用ArrayList中的 toArray(),可能遇到过抛出“java.lang.ClassCastException”异常的情况。下面我们说说这是怎么回事。

ArrayList提供了2个toArray()函数:

Object[] toArray()
<T> T[] toArray(T[] contents)

调用 toArray() 函数会抛出“java.lang.ClassCastException”异常,但是调用 toArray(T[] contents) 能正常返回 T[]。

toArray() 会抛出异常是因为 toArray() 返回的是 Object[] 数组,将 Object[] 转换为其它类型(如如,将Object[]转换为的Integer[])则会抛出“java.lang.ClassCastException”异常,因为Java不支持向下转型。具体的可以参考前面ArrayList.java的源码介绍部分的toArray()。
解决该问题的办法是调用 <T> T[] toArray(T[] contents) , 而不是 Object[] toArray()。

调用 toArray(T[] contents) 返回T[]的可以通过以下几种方式实现。

// toArray(T[] contents)调用方式一
public static Integer[] vectorToArray1(ArrayList<Integer> v) {
    Integer[] newText = new Integer[v.size()];
    v.toArray(newText);
    return newText;
}

// toArray(T[] contents)调用方式二。最常用!
public static Integer[] vectorToArray2(ArrayList<Integer> v) {
    Integer[] newText = (Integer[])v.toArray(new Integer[0]);
    return newText;
}

// toArray(T[] contents)调用方式三
public static Integer[] vectorToArray3(ArrayList<Integer> v) {
    Integer[] newText = new Integer[v.size()];
    Integer[] newStrings = (Integer[])v.toArray(newText);
    return newStrings;
}

第6部分 ArrayList示例

本文通过一个实例(ArrayListTest.java),介绍 ArrayList 中常用API的用法。

 1 import java.util.*;
 2 
 3 /*
 4  * @desc ArrayList常用API的测试程序
 5  * @author skywang 
 6  * @email kuiwu-wang@163.com
 7  */
 8 public class ArrayListTest {
 9 
10     public static void main(String[] args) {
11         
12         // 创建ArrayList
13         ArrayList list = new ArrayList();
14 
15         // 将“”
16         list.add("1");
17         list.add("2");
18         list.add("3");
19         list.add("4");
20         // 将下面的元素添加到第1个位置
21         list.add(0, "5");
22 
23         // 获取第1个元素
24         System.out.println("the first element is: "+ list.get(0));
25         // 删除“3”
26         list.remove("3");
27         // 获取ArrayList的大小
28         System.out.println("Arraylist size=: "+ list.size());
29         // 判断list中是否包含"3"
30         System.out.println("ArrayList contains 3 is: "+ list.contains(3));
31         // 设置第2个元素为10
32         list.set(1, "10");
33 
34         // 通过Iterator遍历ArrayList
35         for(Iterator iter = list.iterator(); iter.hasNext(); ) {
36             System.out.println("next is: "+ iter.next());
37         }
38 
39         // 将ArrayList转换为数组
40         String[] arr = (String[])list.toArray(new String[0]);
41         for (String str:arr)
42             System.out.println("str: "+ str);
43 
44         // 清空ArrayList
45         list.clear();
46         // 判断ArrayList是否为空
47         System.out.println("ArrayList is empty: "+ list.isEmpty());
48     }
49 }

运行结果

the first element is: 5
Arraylist size=: 4
ArrayList contains 3 is: false
next is: 5
next is: 10
next is: 2
next is: 4
str: 5
str: 10
str: 2
str: 4
ArrayList is empty: true
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