Java 集合系列03之 ArrayList详细介绍(源码解析)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。内容包括：

-第一部分ArrayList介绍

-第二部分 ArrayList数据结构

-第三部分 ArrayList源码解析(基于JDK1.6.0_45)

-第四部分 ArrayList遍历方式

-第五部分toArray()异常

-第六部分ArrayList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 {}

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。

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;intsize = list.size();for(inti=0; 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> 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

感兴趣的朋友可以加群一起闲聊qq群947405150，加群947405150 一起探讨技术交流！！不懂的可以问下群里管理！

最后编辑于：2018.11.14 21:18:18

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第2部分 ArrayList数据结构

第4部分 ArrayList遍历方式

第5部分 toArray()异常

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