Java 集合系列（2）： ArrayList源码深入解析和使用示例
概要
上一章，我们学习了Collection的架构。这一章开始，我们对Collection的具体实现类进行讲解；首先，讲解List，而List中ArrayList又最为常用。因此，本章我们讲解ArrayList。先对ArrayList有个整体认识，再学习它的源码，最后再通过例子来学习如何使用它。
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 {}
ArrayList与Collection关系如下图：这里写图片描述
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。
package java.util;
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
// 序列版本号
private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;
// 保存ArrayList中数据的数组
private transient Object[] elementData;
// ArrayList中实际数据的数量
private int size;
// ArrayList带容量大小的构造函数。
public ArrayList(int initialCapacity) {
super();
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
initialCapacity);
// 新建一个数组
this.elementData = new Object[initialCapacity];
}
// ArrayList构造函数。默认容量是10。
public ArrayList() {
this(10);
}
// 创建一个包含collection的ArrayList
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
elementData = c.toArray();
size = elementData.length;
// c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
if (elementData.getClass() != Object[].class)
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
}
// 将当前容量值设为 =实际元素个数
public void trimToSize() {
modCount++;
int oldCapacity = elementData.length;
if (size < oldCapacity) {
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);
}
}
// 确定ArrarList的容量。
// 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”
public void ensureCapacity(int minCapacity) {
// 将“修改统计数”+1
modCount++;
int oldCapacity = elementData.length;
// 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”
if (minCapacity > oldCapacity) {
Object oldData[] = elementData;
int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1;
if (newCapacity < minCapacity)
newCapacity = minCapacity;
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
}
// 添加元素e
public boolean add(E e) {
// 确定ArrayList的容量大小
ensureCapacity(size + 1); // Increments modCount!!
// 添加e到ArrayList中
elementData[size++] = e;
return true;
}
// 返回ArrayList的实际大小
public int size() {
return size;
}
// 返回ArrayList是否包含Object(o)
public boolean contains(Object o) {
return indexOf(o) >= 0;
}
// 返回ArrayList是否为空
public boolean isEmpty() {
return size == 0;
}
// 正向查找，返回元素的索引值
public int indexOf(Object o) {
if (o == null) {
for (int i = 0; i < size; i++)
if (elementData[i]==null)
return i;
} else {
for (int i = 0; i < size; i++)
if (o.equals(elementData[i]))
return i;
}
return -1;
}
// 反向查找，返回元素的索引值
public int lastIndexOf(Object o) {
if (o == null) {
for (int i = size-1; i >= 0; i--)
if (elementData[i]==null)
return i;
} else {
for (int i = size-1; i >= 0; i--)
if (o.equals(elementData[i]))
return i;
}
return -1;
}
// 反向查找(从数组末尾向开始查找)，返回元素(o)的索引值
public int lastIndexOf(Object o) {
if (o == null) {
for (int i = size-1; i >= 0; i--)
if (elementData[i]==null)
return i;
} else {
for (int i = size-1; i >= 0; i--)
if (o.equals(elementData[i]))
return i;
}
return -1;
}
// 返回ArrayList的Object数组
public Object[] toArray() {
return Arrays.copyOf(elementData, size);
}
// 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
public <T> T[] toArray(T[] a) {
// 若数组a的大小 < ArrayList的元素个数；
// 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
if (a.length < size)
return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass());
// 若数组a的大小 >= ArrayList的元素个数；
// 则将ArrayList的全部元素都拷贝到数组a中。
System.arraycopy(elementData, 0, a, 0, size);
if (a.length > size)
a[size] = null;
return a;
}
// 获取index位置的元素值
public E get(int index) {
RangeCheck(index);
return (E) elementData[index];
}
// 设置index位置的值为element
public E set(int index, E element) {
RangeCheck(index);
E oldValue = (E) elementData[index];
elementData[index] = element;
return oldValue;
}
// 将e添加到ArrayList中
public boolean add(E e) {
ensureCapacity(size + 1); // Increments modCount!!
elementData[size++] = e;
return true;
}
// 将e添加到ArrayList的指定位置
public void add(int index, E element) {
if (index > size || index < 0)
throw new IndexOutOfBoundsException(
"Index: "+index+", Size: "+size);
ensureCapacity(size+1); // Increments modCount!!
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
size - index);
elementData[index] = element;
size++;
}
// 删除ArrayList指定位置的元素
public E remove(int index) {
RangeCheck(index);
modCount++;
E oldValue = (E) elementData[index];
int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
numMoved);
elementData[--size] = null; // Let gc do its work
return oldValue;
}
// 删除ArrayList的指定元素
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;
}
// 快速删除第index个元素
private void fastRemove(int index) {
modCount++;
int numMoved = size - index - 1;
// 从"index+1"开始，用后面的元素替换前面的元素。
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
numMoved);
// 将最后一个元素设为null
elementData[--size] = null; // Let gc do its work
}
// 删除元素
public boolean remove(Object o) {
if (o == null) {
for (int index = 0; index < size; index++)
if (elementData[index] == null) {
fastRemove(index);
return true;
}
} else {
// 便利ArrayList，找到“元素o”，则删除，并返回true。
for (int index = 0; index < size; index++)
if (o.equals(elementData[index])) {
fastRemove(index);
return true;
}
}
return false;
}
// 清空ArrayList，将全部的元素设为null
public void clear() {
modCount++;
for (int i = 0; i < size; i++)
elementData[i] = null;
size = 0;
}
// 将集合c追加到ArrayList中
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
Object[] a = c.toArray();
int numNew = a.length;
ensureCapacity(size + numNew); // Increments modCount
System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
size += numNew;
return numNew != 0;
}
// 从index位置开始，将集合c添加到ArrayList
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
if (index > size || index < 0)
throw new IndexOutOfBoundsException(
"Index: " + index + ", Size: " + size);
Object[] a = c.toArray();
int numNew = a.length;
ensureCapacity(size + numNew); // Increments modCount
int numMoved = size - index;
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew,
numMoved);
System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);
size += numNew;
return numNew != 0;
}
// 删除fromIndex到toIndex之间的全部元素。
protected void removeRange(int fromIndex, int toIndex) {
modCount++;
int numMoved = size - toIndex;
System.arraycopy(elementData, toIndex, elementData, fromIndex,
numMoved);
// Let gc do its work
int newSize = size - (toIndex-fromIndex);
while (size != newSize)
elementData[--size] = null;
}
private void RangeCheck(int index) {
if (index >= size)
throw new IndexOutOfBoundsException(
"Index: "+index+", Size: "+size);
}
// 克隆函数
public Object clone() {
try {
ArrayList<E> v = (ArrayList<E>) super.clone();
// 将当前ArrayList的全部元素拷贝到v中
v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);
v.modCount = 0;
return v;
} catch (CloneNotSupportedException e) {
// this shouldn't happen, since we are Cloneable
throw new InternalError();
}
}
// java.io.Serializable的写入函数
// 将ArrayList的“容量，所有的元素值”都写入到输出流中
private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
throws java.io.IOException{
// Write out element count, and any hidden stuff
int expectedModCount = modCount;
s.defaultWriteObject();
// 写入“数组的容量”
s.writeInt(elementData.length);
// 写入“数组的每一个元素”
for (int i=0; i<size; i++)
s.writeObject(elementData[i]);
if (modCount != expectedModCount) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
// java.io.Serializable的读取函数：根据写入方式读出
// 先将ArrayList的“容量”读出，然后将“所有的元素值”读出
private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
// Read in size, and any hidden stuff
s.defaultReadObject();
// 从输入流中读取ArrayList的“容量”
int arrayLength = s.readInt();
Object[] a = elementData = new Object[arrayLength];
// 从输入流中将“所有的元素值”读出
for (int i=0; i<size; i++)
a[i] = s.readObject();
}
}
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：
import java.util.*;
import java.util.concurrent.*;
/*
* @desc ArrayList遍历方式和效率的测试程序。
*
* @author skywang
*/
public class ArrayListRandomAccessTest {
public static void main(String[] args) {
List list = new ArrayList();
for (int i=0; i<100000; i++)
list.add(i);
//isRandomAccessSupported(list);
iteratorThroughRandomAccess(list) ;
iteratorThroughIterator(list) ;
iteratorThroughFor2(list) ;
}
private static void isRandomAccessSupported(List list) {
if (list instanceof RandomAccess) {
System.out.println("RandomAccess implemented!");
} else {
System.out.println("RandomAccess not implemented!");
}
}
public static void iteratorThroughRandomAccess(List list) {
long startTime;
long endTime;
startTime = System.currentTimeMillis();
for (int i=0; i<list.size(); i++) {
list.get(i);
}
endTime = System.currentTimeMillis();
long interval = endTime - startTime;
System.out.println("iteratorThroughRandomAccess：" + interval+" ms");
}
public static void iteratorThroughIterator(List list) {
long startTime;
long endTime;
startTime = System.currentTimeMillis();
for(Iterator iter = list.iterator(); iter.hasNext(); ) {
iter.next();
}
endTime = System.currentTimeMillis();
long interval = endTime - startTime;
System.out.println("iteratorThroughIterator：" + interval+" ms");
}
public static void iteratorThroughFor2(List list) {
long startTime;
long endTime;
startTime = System.currentTimeMillis();
for(Object obj:list)
;
endTime = System.currentTimeMillis();
long interval = endTime - startTime;
System.out.println("iteratorThroughFor2：" + interval+" ms");
}
}
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[] 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。
import java.util.*;
/*
* @desc ArrayList常用API的测试程序
* @author skywang
* @email kuiwu-wang@163.com
*/
public class ArrayListTest {
public static void main(String[] args) {
// 创建ArrayList
ArrayList list = new ArrayList();
// 将“”
list.add("1");
list.add("2");
list.add("3");
list.add("4");
// 将下面的元素添加到第1个位置
list.add(0, "5");
// 获取第1个元素
System.out.println("the first element is: "+ list.get(0));
// 删除“3”
list.remove("3");
// 获取ArrayList的大小
System.out.println("Arraylist size=: "+ list.size());
// 判断list中是否包含"3"
System.out.println("ArrayList contains 3 is: "+ list.contains(3));
// 设置第2个元素为10
list.set(1, "10");
// 通过Iterator遍历ArrayList
for(Iterator iter = list.iterator(); iter.hasNext(); ) {
System.out.println("next is: "+ iter.next());
}
// 将ArrayList转换为数组
String[] arr = (String[])list.toArray(new String[0]);
for (String str:arr)
System.out.println("str: "+ str);
// 清空ArrayList
list.clear();
// 判断ArrayList是否为空
System.out.println("ArrayList is empty: "+ list.isEmpty());
}
}
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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