Java集合 ArrayList原理及使用

時間  2019-12-11
標籤 java 集合 arraylist 原理 使用 欄目 Java 简体版
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ArrayList是集合的一種實現，實現了接口List，List接口繼承了Collection接口。Collection是全部集合類的父類。ArrayList使用很是普遍，不管是數據庫表查詢，excel導入解析，仍是網站數據爬取都須要使用到，瞭解ArrayList原理及使用方法顯得很是重要。java

一. 定義一個ArrayList

//默認建立一個ArrayList集合
List<String> list = new ArrayList<>();
//建立一個初始化長度爲100的ArrayList集合
List<String> initlist = new ArrayList<>(100);
//將其餘類型的集合轉爲ArrayList
List<String> setList = new ArrayList<>(new HashSet());

咱們讀一下源碼，看看定義ArrayList的過程到底作了什麼？數據庫

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;
        }
    }
}

其實源碼裏面已經很清晰了，ArrayList非線程安全，底層是一個Object[]，添加到ArrayList中的數據保存在了elementData屬性中。數組

  • 當調用new ArrayList<>()時，將一個空數組{}賦值給了elementData，這個時候集合的長度size爲默認長度0；安全

  • 當調用new ArrayList<>(100)時，根據傳入的長度，new一個Object[100]賦值給elementData，固然若是玩兒的話，傳了一個0，那麼將一個空數組{}賦值給了elementData；dom

  • 當調用new ArrayList<>(new HashSet())時，根據源碼，咱們可知，能夠傳遞任何實現了Collection接口的類，將傳遞的集合調用toArray()方法轉爲數組內賦值給elementData;ide

注意：在傳入集合的ArrayList的構造方法中，有這樣一個判斷網站

if (elementData.getClass() != Object[].class)，ui

給出的註釋是：c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)，即調用toArray方法返回的不必定是Object[]類型，查看ArrayList源碼this

public Object[] toArray() {    return Arrays.copyOf(elementData, size);}

咱們發現返回的確實是Object[]，那麼爲何還會有這樣的判斷呢？線程

若是有一個類CustomList繼承了ArrayList，而後重寫了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);
    }
}

執行結果：

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

接着說，若是傳入的集合類型和咱們定義用來保存添加到集合中值的Object[]類型不一致時，ArrayList作了什麼處理？讀源碼看到，調用了Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);，繼續往下走

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;
}

咱們發現定義了一個新的數組，將原數組的數據拷貝到了新的數組中去。

二. ArrayList經常使用方法

ArrayList有不少經常使用方法，add，addAll，set，get，remove，size，isEmpty等

首先定義了一個ArrayList,

List<String> list = new ArrayList<>(10);
list.add('牛魔王');
list.add('蛟魔王');
...
list.add('美猴王');

Object[] elementData中數據以下：

1. add(E element)

咱們經過源碼來看一下add("白骨精")到底發生了什麼

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

首先經過 ensureCapacityInternal(size + 1) 來保證底層Object[]數組有足夠的空間存放添加的數據，而後將添加的數據存放到數組對應的位置上，咱們看一下是怎麼保證數組有足夠的空間？

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);
}

這裏首先肯定了Object[]足夠存放添加數據的最小容量，而後經過 grow(int minCapacity) 來進行數組擴容

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);
}

擴容規則爲「數組當前足夠的最小容量 + （數組當前足夠的最小容量 / 2）」，即數組當前足夠的最小容量 * 1.5，固然有最大值的限制。

由於最開始定義了集合容量爲10，故而本次不會進行擴容，直接將第8個位置（從0開始，下標爲7）設置爲「白骨精」，這時Object[] elementData中數據以下：

還有和add()相似的方法。空間擴容原理都是同樣，如：

add("鐵扇", 0); //將數組中的元素各自日後移動一位，再將「鐵扇」放到第一個位置上；

addAll(list..七個葫蘆娃); //將集合{七個葫蘆娃}放到"白骨精"後，很明顯當前數組的容量已經不夠，須要擴容了，不執行該句代碼了；

addAll(list..哪吒三兄弟, 4);//從第五個位置將「哪吒三兄弟」插進去，那麼數組第五個位置後的元素都需日後移動三位，數組按規則擴容爲18。

指定了插入位置的，會經過rangeCheckForAdd(int index)方法判斷是否數組越界

2. set(int index, E element)

由於ArrayList底層是由數組實現的，set實現很是簡單，調用 set(8, "豬八戒") 經過傳入的數字下標找到對應的位置，替換其中的元素，前提也須要首先判斷傳入的數組下標是否越界。將「獼猴王」替換爲「豬八戒」。

public E set(int index, E element) {
    rangeCheck(index);
    E oldValue = elementData(index);
    elementData[index] = element;
    return oldValue;
}

//返回值「獼猴王」，當前數組中數據：

3. get(int index)

ArrayList中get方法也很是簡單，經過下標查找便可，同時須要進行了類型轉換，由於數組爲Object[]，前提是須要判斷傳入的數組下標是否越界。

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

調用get(6)返回」哪吒「。

4. remove(int index)

首先說一下ArrayList經過下標刪除的方法，咱們看一下源碼

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;
}

經過源碼咱們能夠看到首先獲取了待刪除的元素，並最終返回了。其次計算了數組中須要移動的位數 size - index - 1，那麼很明顯咱們能夠得出待刪除的是最後一個元素的話，移到位數爲0，不然移動位數大於0，那麼經過數組元素的拷貝來實現往前移動相應位數。

如remove(10)，找到的元素爲「美猴王」，那麼移動位數 = 12-10-1 = 1；此時將本來在第12個位置上（數組下標爲11）的「白骨精」往前移動一位，同時設置elementData[11] = null；這裏經過設置null值讓GC起做用。

5. remove(Object o)

刪除ArrayList中的值對象，其實和經過下標刪除很類似，只是多了一個步驟，遍歷底層數組elementData，經過equals()方法或 == （特殊狀況下）來找到要刪除的元素，獲取其下標，調用remove(int index)同樣的代碼便可。

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. 其餘方法

size() : 獲取集合長度，經過定義在ArrayList中的私有變量size獲得

isEmpty()：是否爲空，經過定義在ArrayList中的私有變量size獲得

contains(Object o)：是否包含某個元素，經過遍歷底層數組elementData，經過equals或==進行判斷

clear()：集合清空，經過遍歷底層數組elementData，設置爲null

三. 總結

本文主要講解了ArrayList原理，從底層數組着手，講解了ArrayList定義時到底發生了什麼，再添加元素時，擴容規則如何，刪除元素時，數組的元素的移動方式以及一些經常使用方法的用途，如有不對之處，請批評指正，望共同進步，謝謝！

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