java集合系列（3）ArrayList

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一、ArrayList的数据结构：
ArrayList的数据结构如下：

 

说明：通过查看源码可以知道ArrayList底层的数据结构是数组，数组元素的类型是Object类型，即可以存放所有类型的数据，所有对ArrayList类的实例的操作底层都是基于数组实现。

二、ArrayList源码分析：
1、ArrayList的继承关系：
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
说明：ArrayList继承了AbstractList抽象父类，实现了List接口（规定List的操作规范）、RandomAccess（可随机访问）、Cloneable（可拷贝）、Serializable（可序列化）

2、ArrayList类的属性：

说明：类的属性中核心属性为elementData，类型是Object[]，用于存放实际元素，并且标记为transient，意味着在序列化的时候，此此段不会被序列化。

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
    // 版本号
    private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;
    // 缺省容量
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
    // 空对象数组
    private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
    // 缺省空对象数组
    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
    // 元素数组
    transient Object[] elementData;
    // 实际元素大小，默认为0
    private int size;
    // 最大数组容量
    private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
}

3、ArrayList类构造函数：

//指定elementData数组的大小，不允许初始化大小<0，否则抛出异常
public ArrayList(int initialCapacity) {
        if (initialCapacity > 0) { // 初始容量大于0
            this.elementData = new Object[initialCapacity]; // 初始化元素数组
        } else if (initialCapacity == 0) { // 初始容量为0
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA; // 为空对象数组
        } else { // 初始容量小于0，抛出异常
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                               initialCapacity);
        }
    }

//ArrayList()构造函数：
//当为指定初始大小时，会给elementData赋值为空集合
public ArrayList() { 
        // 无参构造函数，设置元素数组为空 
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }

//ArrayList(Collection<?extends E>)构造函数
//当传递的参数为集合类型时，会把集合类型转化为数组类型，并赋值给elementData
public ArrayList(Collection<? extends E> c) { // 集合参数构造函数
        elementData = c.toArray(); // 转化为数组
        if ((size = elementData.length) != 0) { // 参数为非空集合
            if (elementData.getClass() != Object[].class) // 是否成功转化为Object类型数组
                elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class); // 不为Object数组的话就进行复制
        } else { // 集合大小为空，则设置元素数组为空
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        }
    }

4、核心方法分析：
4.1、add()方法:

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

可以看到，add方法里面调用了ensureCapacityInternal()方法，该方法可以理解为为确保elementData数组有合适的大小，其具体实现如下：

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
    }
private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {//判断该数组是否是空数组
            return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);//取较大值
        }
        return minCapacity;
    }

在ensureCapacityInternal()方法中，调用了 ensureExplicitCapacity()方法，该方法也是为了确保数组有合适的大小，具体实现如下：

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        // 结构性修改加1
        modCount++;
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
    }

而ensureExplicitCapacity()方法中，又调用了grow()方法，具体实现如下：

private void grow(int minCapacity) {
        int oldCapacity = elementData.length; // 旧容量
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // 新容量为旧容量的1.5倍,此处用了位运算提高效率
        if (newCapacity - minCapacity < 0) // 新容量小于参数指定容量，修改新容量
            newCapacity = minCapacity;
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0) // 新容量大于最大容量
            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity); // 指定新容量
        // 拷贝扩容
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }

总结：通过以上方法跟踪，我们可以发现add()方法最终调用了grow()方法，其他均为过程方法,grow()方法里面定义了数组元素的存储以及扩容方式。

4.2、set()方法：需要设置下标

 public E set(int index, E element) {
        // 检验索引是否合法
        rangeCheck(index);
        // 旧值
        E oldValue = elementData(index);
        // 赋新值
        elementData[index] = element;
        // 返回旧值
        return oldValue;
    }

4.3、indexOf()方法：

// 从首开始查找数组里面是否存在指定元素
    public int indexOf(Object o) {
        if (o == null) { // 查找的元素为空
            for (int i = 0; i < size; i++) // 遍历数组，找到第一个为空的元素，返回下标
                if (elementData[i]==null)
                    return i;
        } else { // 查找的元素不为空
            for (int i = 0; i < size; i++) // 遍历数组，找到第一个和指定元素相等的元素，返回下标
                if (o.equals(elementData[i]))
                    return i;
        } 
        // 没有找到，返回空
        return -1;
    }

说明：从头开始查找与指定元素相等的元素，可以查找null元素，即ArrayList中可以存null元素，与该方法对应的lastIndexOf()方法，表示从尾部元素开始查找。

4.4、get()方法:

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

说明：get方法会坚持索引是否合法（只检查是否大于size，而没有检查是否小雨0），非法则抛出数组越界异常，值得注意的是，在get方法中通过调用elementData方法返回具体元素，

elementData方法实现如下：

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

注意：返回的值都经过了向下转型（Object->E），这是应用程序设计中屏蔽的小细节

4.5、remove()方法:

public E remove(int index) {
        // 检查索引是否合法
        rangeCheck(index);
        
        modCount++;
        E oldValue = elementData(index);
        // 需要移动的元素的个数=数组总长度-(该元素所在的位置索引+1)
        int numMoved = size - index - 1;
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                             numMoved);
        // 赋值为空，有利于进行GC
        elementData[--size] = null; 
        // 返回旧值
        return oldValue;
    }

说明：remove方法用于移除指定下标的元素，此时会把指定下标到数组末尾的元素向前移动一个单位，并且会把数组最后一个元素设置为null,这样做是为了方便之后整个数组不使用时，会被GC，这是个小技巧。

三、总结：
ArrayList和LinkedList的区别：
1、ArrayList是实现了基于动态数组的数据结构，LinkedList基于链表的数据结构。
2、对于随机访问get和set，ArrayList优于LinkedList，因为LinkedList要移动指针。
3、对于新增和删除操作add和remove（不是在尾部添加删除），LinkedList比较占优势，因为ArrayList要移动数据。

ArrayList和Vector的区别：
1、Vector和ArrayList几乎是完全相同的,唯一的区别在于Vector是同步类(synchronized)，属于强同步类。因此开销就比ArrayList要大，访问要慢。正常情况下,大多数的Java程序员使用ArrayList而不是Vector,因为同步完全可以由程序员自己来控制。
2、 Vector每次扩容请求其大小的2倍空间，而ArrayList是1.5倍。
3、Vector还有一个子类Stack.

总结

ArrayList总体来说比较简单，不过ArrayList还有以下一些特点：

  • ArrayList基于数组方式实现，无容量的限制（会扩容）

  • 添加元素时可能要扩容（所以最好预判一下），删除元素时不会减少容量（若希望减少容量，trimToSize()），删除元素时，将删除掉的位置元素置为null，下次gc就会回收这些元素所占的内存空间。

  • 线程不安全，会出现fall-fail。下一篇文章会详细讲，

  • add(int index, E element)：添加元素到数组中指定位置的时候，需要将该位置及其后边所有的元素都整块向后复制一位

  • get(int index)：获取指定位置上的元素时，可以通过索引直接获取（O(1)）

  • remove(Object o)需要遍历数组

  • 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;
    }

  • remove(int index)不需要遍历数组，只需判断index是否符合条件即可，效率比remove(Object o)高

  • contains(E)需要遍历数组

  •  public boolean contains(Object o) {
        return indexOf(o) >= 0;
    }

 
    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;
    }

  • 使用iterator遍历可能会引发多线程异常

谢谢大家，如有问题还请批评指正。

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