Java 集合系列03之 ArrayList详细介绍(源码解析)和使用示例
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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
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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。
View Code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
