【Java集合】ArrayList的使用及原理

前言

ArrayList属于Collection集合类大家族的一员，是分支List中的主力军之一。ArrayList的使用非常广泛，无论是在数据库表中查询，还是网络信息爬取都需要使用，所以了解ArrayList的原理就十分重要了（本文中若无特地说明，ArrayList版本基于JDK 1.8）。

（若文章有不正之处，或难以理解的地方，请多多谅解，欢迎指正）

ArrayList的继承关系

在这里插入图片描述

如何定义一个ArrayList？

ArrayList有三个构造函数：① 无参；②参数为整数；③参数为集合。

举个栗子：

//默认创建一个ArrayList集合
ArrayList<String> a1 = new ArrayList<>();
//创建一个初始长度为12的ArrayList集合
ArrayList<String> a2 = new ArrayList<>(12);
//将其他类型的集合转为ArrayList
ArrayList<String> a3 = new ArrayList<>(new HashSet());

我们读ArrayList构造函数的源码之前，先看看ArrayList的属性的情况：

    /**
     * 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;

可以看到，ArrayList是非线程安全的容器，底层实现是Object[]，数据会添加到ArrayList的elementData数组中，而且默认容量DEFAULT_CAPACITY为10。但其实从jdk7之后，ArrayList的默认容量就是0了，而DEFAULT_CAPACITY在扩容的过程中才会用到。

接下来我们来看看定义ArrayList的三种构造函数。

ArrayList有参构造函数——入参类型为整型

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);
        }
    }

可以看到，如果传入正整数，则elementData数组容量初始化为initialCapacity；如果传入0，则elementData数组赋值为一个空数组。可能有读者发现了ArrayList类中有两个属性定义为空数组。

为什么ArrayList会定义两个空数组？

其实注释已经给出了官方解释（下有拙译）：

    /**
     * Shared empty array instance used for empty instances.
     此共享空数组实例用于空实例
     */
    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.
     此共享空数组用于默认大小的空实例。我们将此与EMPTY_ELEMENTDATA区分开，以了解填充第一个元素时需要多少（空间）
     */
    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

简单说，EMPTY_ELEMENTDATA与DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA在功能上有不同的含义，前者单纯用于赋值为空数组，后者是给elementData数组初始化的。

ArrayList有参构造函数——入参类型为集合类

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;
        }
    }

可以看到，只要是实现了Collection的集合类，都会调用toArray()将集合类中的数组赋给elementData。而且toArray()返回的数组类型不是Object[]类型时…等等，toArray()返回的数组类型为什么会不是Object[]类型？举个栗子：

public class Test<E> extends ArrayList {
    @Override
    public Integer[] toArray() {
        return new Integer[]{0, 23};
    }

    public static void main(String[] args){
        Object[] elementData = new Test<Integer>().toArray();
        System.out.println(elementData.getClass());
        System.out.println(Object[].class);
        System.out.println(elementData.getClass() == Object[].class);
    }
}

运行结果为：

class [Ljava.lang.Integer;
class [Ljava.lang.Object;
false

好，我们接着说当toArray()返回的数组类型不是Object[]类型时，会调用Arrays.copyOf()将原数组拷贝到新数组中去，而且类型还定义为Object类：

public static <T,U> T[] copyOf(U[] original, int newLength, Class<? extends T[]> newType) {
        @SuppressWarnings("unchecked")
        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;
    }

ArrayList无参构造函数

//private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

public ArrayList() {
	this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

在这里，我们可以看到JDK 1.8之后的ArrayList的默认容量为0。

如果ArrayList的容量为0，还可以添加数据吗？

当然可以，通过扩容机制变可以扩充ArrayList的容量：

public void ensureCapacity(int minCapacity) {
        int minExpand = (elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)
            // any size if not default element table
            ? 0
            // larger than default for default empty table. It's already
            // supposed to be at default size.
            : DEFAULT_CAPACITY;

        if (minCapacity > minExpand) {
            ensureExplicitCapacity(minCapacity);
        }
    }

在这里我们可以看到，如果elementData数组依然为DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA（即初始状态），则通过ensureExplicitCapacity()方法将ArrayList的容量扩充为10（DEFAULT_CAPACITY）。

为什么无参构造函数中对ArrayList容量的初始化改变了呢？

虽然JDK 1.8中的ArrayList默认容量为0，但在JDK1.6的无参构造函数的ArrayList默认容量为10：

 public ArrayList() {
	this(10);
}

个人认为，JDK 1.8中延迟初始化ArrayList的实际容量，应该是考虑如果一开始就初始化为10，那么大小为10的数组中存的全部是null，这种数组多了也会占用大量的空间。所以这也是为了节省不必要浪费的空间，体现了懒加载的思想。

怎么使用ArrayList？

既然我们已经知道了怎么去定义一个ArrayList，接下来就是要使用ArrayList了，而ArrayList提供的方法中常见的有：add、addAll、set、get、remove、size、isEmpty等。

因为ArrayList的一些方法会涉及到数据位置的变换，为了更直观地感受这些变化，在这里我们来举个栗子：

疫情以来，想必很多朋友已经很想念那些美食了。咱们在这里报一下菜单吧：

ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
list.add("双皮奶");
list.add("云吞面");
list.add("煲仔饭");
list.add("叉烧包");
list.add("艇仔粥");
list.add("糯米鸡");

也就是说，elementData数组中有这些数据：
在这里插入图片描述

add(E element)

如果想在菜单中加入“小笼包”，让我们看看这个操作在源码中是怎样的过程：

public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

首先，会先通过ensureCapacityInternal(size+1)检查elementData数组的容量是否充足，然后再将数据放入数组中，我们来看看ArrayList是怎么进行容量检查。

ensureCapacityInternal()

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
    	minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}

在这个方法中，确定elementData数组是不是空数组，如果是的话，将形参minCapacity赋值为10（DEFAULT_CAPACITY)，然后进入ensureExplicitCapacity()方法。

ensureExplicitCapacity()

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        modCount++;

        // overflow-conscious code
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
    }

此方法中的modCount变量是从AbstractList继承下来的，用于记录对ArrayList对象操作的次数：

protected transient int modCount = 0;

可以看到当形参minCapacity的数值比当前的elementData数组的长度大，则要调用grow()方法进行扩容操作。

grow()

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);
    }

可以看到，扩容规则为“数组当前的容量+（数组当前的容量/2）”，即扩容后的数组容量为之前数组容量的1.5倍。当然，如果超过了最大值，在hugeCapacity()方法中会对其进行处理。

hugeCapacity()

private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
        if (minCapacity < 0) // overflow
            throw new OutOfMemoryError();
        return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
            Integer.MAX_VALUE :
            MAX_ARRAY_SIZE;
    }

如果形参minCapacity大于MAX_ARRAY_SIZE，则赋值为Integer.MAX_VALUE，实际上MAX_ARRAY_SIZE与Integer.MAX_VALUE相差8。

回到我们的例子中，elementData数组的容量为10，而数组中的数据只有6个，所以"小笼包"的加入并不会引起扩容，此时elementData数组中的数据如下：
在这里插入图片描述
与add()类似的方法还有：

add(0, “炸鲜奶”)

此方法将数组中的元素各自往后移动一位之后，再将“炸牛奶”放到第一个位置上：
在这里插入图片描述

addAll(1, list…“金钱肚”,“蒸凤爪”,“鲜虾饺”)

将"金钱肚",“蒸凤爪”,"鲜虾饺"放到"炸牛奶"之后，那么数组第二个位置后的元素都需要往后移动三位，而且明显看到数组的容量已经不够了，按规则数组会扩容到16。
在这里插入图片描述
如果需要在既定位置安插数据，则需要通过rangeCheckForAdd()方法判断数组是否越界。

rangeCheckForAdd()

   private void rangeCheckForAdd(int index) {
        if (index > size || index < 0)
            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
    }

set(int index, E element)

在add()方法过程中，如果要在数组中（除了数组末尾）安插一个数据，需要将安插位置之后的数据往后移动一位。但如果需要替换数组某个位置的数据，则需要找到对应位置，并替换元素即可。

public E set(int index, E element) {
        rangeCheck(index);

        E oldValue = elementData(index);
        elementData[index] = element;
        return oldValue;
    }

在set()方法执行过程中，需要进行rangeCheck()数组范围检查之后，再将原数据取出用于返回，并在该数组位置替换新数据，如将"炸鲜奶"替换为"普洱茶"：
在这里插入图片描述

get(int index)

ArrayList中的get()方法获取数据的方式也很简单，只需先判断传入的数组下标是否越界，并通过下标查找，转换类型即可。

public E get(int index) {
    rangeCheck(index);
    return elementData(index);
}

其中的elementData()方法的实现如下：

E elementData(int index) {
	return (E) elementData[index];
}

remove(int index)和remove(Object o)

ArrayList有两种删除方式，一种是通过下标选择删除的元素，另一个是通过值对象删除元素。我们先来了解一下前者：

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;
    }

通过下标选择删除的元素的remove(int index)方法中，在删除元素之前，需要先对下标进行范围检查rangeCheck()，然后再计算出需要移动的元素个数，通过arraycopy()即数组复制的方式，将既定位置之后的元素都向前移动一位，最后再设置elementData[size-1]为null，使GC回收对其起作用。

接下来我们来看后者：

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;
    }

通过值对象删除元素的remove(Object o)方法中，程序将null单独进行处理，因为null是一种状态，不属于任何类型的值。在选中了既定值对象对应的下标值之后，删除操作将会在fastRemove()方法中进行，而fastRemove()方法中的操作过程就跟remove(int index)类似，在此就不赘述了。

举个栗子，如果将"云吞面"删除了，那么菜单会变成：
在这里插入图片描述

其他方法

上文对ArrayList的增删改查方法进行了介绍，接下来简单介绍一下ArrayList的其他方法：

size()：用于获取集合的长度，可通过定义在ArrayList中的私有变量size得到。
isEmpty()：用于确定ArrayList是否为空，可通过定义在ArrayList中的私有变量size得到。
contains(Object o)：用于确定ArrayList是否包含某个元素，先通过遍历底层数组elementData，再通过equals或==判断。
clear()：将ArrayList里的数据清空，通过遍历底层数组elementData，将数组里的值都设置为null。

结语

本文主要对ArrayList原理进行介绍，着重介绍了ArrayList的增加、扩容机制、获取元素、修改元素、删除时元素移动的方式。

如果本文对你的学习有帮助，请给一个赞吧，这会是我最大的动力~

参考资料：

Java集合 ArrayList原理及使用

ArrayList的初始容量现在为0，不再是10了

本文已授权发布在微信公众号：Java后端。

posted @ 2020-03-19 16:30 NYfor2018 阅读(243) 评论(0) 编辑收藏举报

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