Java集合 ArrayList原理及使用
ArrayList是集合的一种实现，实现了接口List，List接口继承了Collection接口。Collection是所有集合类的父类。ArrayList使用非常广泛，不论是数据库表查询，excel导入解析，还是网站数据爬取都需要使用到，了解ArrayList原理及使用方法显得非常重要。
一. 定义一个ArrayList
//默认创建一个ArrayList集合
List<String> list = new ArrayList<>();
//创建一个初始化长度为100的ArrayList集合
List<String> initlist = new ArrayList<>(100);
//将其他类型的集合转为ArrayList
List<String> setList = new ArrayList<>(new HashSet());
我们读一下源码，看看定义ArrayList的过程到底做了什么？
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
/**
* Default initial capacity.
*/
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
/**
* Shared empty array instance used for empty instances.
*/
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/**
* Shared empty array instance used for default sized empty instances. We
* distinguish this from EMPTY_ELEMENTDATA to know how much to inflate when
* first element is added.
*/
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/**
* The array buffer into which the elements of the ArrayList are stored.
* The capacity of the ArrayList is the length of this array buffer. Any
* empty ArrayList with elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
* will be expanded to DEFAULT_CAPACITY when the first element is added.
*/
transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
/**
* The size of the ArrayList (the number of elements it contains).
*
* @serial
*/
private int size;
/**
* Constructs an empty list with the specified initial capacity.
*
* @param initialCapacity the initial capacity of the list
* @throws IllegalArgumentException if the specified initial capacity
* is negative
*/
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);
}
}
/**
* Constructs an empty list with an initial capacity of ten.
*/
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
/**
* Constructs a list containing the elements of the specified
* collection, in the order they are returned by the collection's
* iterator.
*
* @param c the collection whose elements are to be placed into this list
* @throws NullPointerException if the specified collection is null
*/
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
elementData = c.toArray();
if ((size = elementData.length) != 0) {
// c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
if (elementData.getClass() != Object[].class)
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
} else {
// replace with empty array.
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}
}
}
其实源码里面已经很清晰了，ArrayList非线程安全，底层是一个Object[]，添加到ArrayList中的数据保存在了elementData属性中。
-
当调用
new ArrayList<>()时，将一个空数组{}赋值给了elementData，这个时候集合的长度size为默认长度0； -
当调用
new ArrayList<>(100)时，根据传入的长度，new一个Object[100]赋值给elementData，当然如果玩儿的话，传了一个0，那么将一个空数组{}赋值给了elementData； -
当调用new ArrayList<>(new HashSet())时，根据源码，我们可知，可以传递任何实现了Collection接口的类，将传递的集合调用toArray()方法转为数组内赋值给elementData;
注意：在传入集合的ArrayList的构造方法中，有这样一个判断
if (elementData.getClass() != Object[].class)，
给出的注释是：c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)，即调用toArray方法返回的不一定是Object[]类型，查看ArrayList源码
public Object[] toArray() { return Arrays.copyOf(elementData, size);}我们发现返回的确实是Object[]，那么为什么还会有这样的判断呢？
如果有一个类CustomList继承了ArrayList，然后重写了toArray()方法呢。。
public class CustomList<E> extends ArrayList {
@Override
public Integer [] toArray() {
return new Integer[]{1,2};
};
public static void main(String[] args) {
Object[] elementData = new CustomList<Integer>().toArray();
System.out.println(elementData.getClass());
System.out.println(Object[].class);
System.out.println(elementData.getClass() == Object[].class);
}
}
执行结果：
class [Ljava.lang.Integer;
class [Ljava.lang.Object;
false
接着说，如果传入的集合类型和我们定义用来保存添加到集合中值的Object[]类型不一致时，ArrayList做了什么处理？读源码看到，调用了Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);，继续往下走
public static <T,U> T[] copyOf(U[] original, int newLength, Class<? extends T[]> newType) {
T[] copy = ((Object)newType == (Object)Object[].class)
? (T[]) new Object[newLength]
: (T[]) Array.newInstance(newType.getComponentType(), newLength);
System.arraycopy(original, 0, copy, 0, Math.min(original.length, newLength));
return copy;
}
我们发现定义了一个新的数组，将原数组的数据拷贝到了新的数组中去。
二. ArrayList常用方法
ArrayList有很多常用方法，add，addAll，set，get，remove，size，isEmpty等
首先定义了一个ArrayList,
List<String> list = new ArrayList<>(10);
list.add('牛魔王');
list.add('蛟魔王');
...
list.add('美猴王');
Object[] elementData中数据如下：
1. add(E element)
我们通过源码来看一下add("白骨精")到底发生了什么
public boolean add(E e) {
ensureCapacityInternal(size + 1);
// Increments modCount!!
elementData[size++] = e;
return true;
}
首先通过 ensureCapacityInternal(size + 1) 来保证底层Object[]数组有足够的空间存放添加的数据，然后将添加的数据存放到数组对应的位置上，我们看一下是怎么保证数组有足够的空间？
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
modCount++;
// overflow-conscious code
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}
这里首先确定了Object[]足够存放添加数据的最小容量，然后通过 grow(int minCapacity) 来进行数组扩容
private void grow(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length;
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
// minCapacity is usually close to size, so this is a win:
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
扩容规则为“数组当前足够的最小容量 + （数组当前足够的最小容量 / 2）”，即数组当前足够的最小容量 * 1.5，当然有最大值的限制。
因为最开始定义了集合容量为10，故而本次不会进行扩容，直接将第8个位置（从0开始，下标为7）设置为“白骨精”，这时Object[] elementData中数据如下：
还有和add()类似的方法。空间扩容原理都是一样，如：
add("铁扇", 0);//将数组中的元素各自往后移动一位，再将“铁扇”放到第一个位置上；
addAll(list..七个葫芦娃);//将集合{七个葫芦娃}放到"白骨精"后，很明显当前数组的容量已经不够，需要扩容了，不执行该句代码了；
addAll(list..哪吒三兄弟, 4);//从第五个位置将“哪吒三兄弟”插进去，那么数组第五个位置后的元素都需往后移动三位，数组按规则扩容为18。
指定了插入位置的，会通过rangeCheckForAdd(int index)方法判断是否数组越界
2. set(int index, E element)
因为ArrayList底层是由数组实现的，set实现非常简单，调用 set(8, "猪八戒") 通过传入的数字下标找到对应的位置，替换其中的元素，前提也需要首先判断传入的数组下标是否越界。将“猕猴王”替换为“猪八戒”。
public E set(int index, E element) {
rangeCheck(index);
E oldValue = elementData(index);
elementData[index] = element;
return oldValue;
}
//返回值“猕猴王”，当前数组中数据：
3. get(int index)
ArrayList中get方法也非常简单，通过下标查找即可，同时需要进行了类型转换，因为数组为Object[]，前提是需要判断传入的数组下标是否越界。
public E get(int index) {
rangeCheck(index);
return elementData(index);
}
E elementData(int index) {
return (E) elementData[index];
}
调用get(6)返回”哪吒“。
4. remove(int index)
首先说一下ArrayList通过下标删除的方法，我们看一下源码
public E remove(int index) {
rangeCheck(index);
modCount++;
E oldValue = elementData(index);
int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
return oldValue;
}
通过源码我们可以看到首先获取了待删除的元素，并最终返回了。其次计算了数组中需要移动的位数 size - index - 1，那么很明显我们可以得出待删除的是最后一个元素的话，移到位数为0，否则移动位数大于0，那么通过数组元素的拷贝来实现往前移动相应位数。
如remove(10)，找到的元素为“美猴王”，那么移动位数 = 12-10-1 = 1；此时将原本在第12个位置上（数组下标为11）的“白骨精”往前移动一位，同时设置elementData[11] = null；这里通过设置null值让GC起作用。
5. remove(Object o)
删除ArrayList中的值对象，其实和通过下标删除很相似，只是多了一个步骤，遍历底层数组elementData，通过equals()方法或 == （特殊情况下）来找到要删除的元素，获取其下标，调用remove(int index)一样的代码即可。
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;
}
6. 其他方法
size() : 获取集合长度，通过定义在ArrayList中的私有变量size得到
isEmpty()：是否为空，通过定义在ArrayList中的私有变量size得到
contains(Object o)：是否包含某个元素，通过遍历底层数组elementData，通过equals或==进行判断
clear()：集合清空，通过遍历底层数组elementData，设置为null
三. 总结
本文主要讲解了ArrayList原理，从底层数组着手，讲解了ArrayList定义时到底发生了什么，再添加元素时，扩容规则如何，删除元素时，数组的元素的移动方式以及一些常用方法的用途，若有不对之处，请批评指正，望共同进步，谢谢！
