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1部分 ArrayList简介
第2部分 ArrayList数据结构
第3部分 ArrayList源码解析(基于JDK1.6.0_45)
第4部分 ArrayList遍历方式
第5部分 toArray()异常
第6部分 ArrayList示例
转载请注明出处：http://www.cnblogs.com/skywang12345/p/3308556.html
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。
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
