来聊聊动态数组ArrayList
1.引言
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ArrayList在Java集合中的使用非常广泛，不论是用来存放数据库表查询的结果还是用于Excel导入解析都需要使用到。想要很好的使用ArrayList，去了解其原理和底层实现不言而喻
2.ArrayList与数组的关系
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ArrayList其实就是数组列表，主要用来装载数据。它的主要底层实现是数组Object[] elementData。
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与数组不同的是，我们数组的长度一旦初始化完后就不能再进行变动，而ArrayList虽然底层用的也是数组，但是它是却可以进行动态的改变数组长度，当我们向ArrayList中add元素时，如果长度不够时就会进行扩容。
3.ArrayList的扩容
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在我们向ArrayList中新增元素时，会进行一个长度校验（ensureCapacityInternal），如果长度不够时就需要进行扩容。请看下面示例代码
/**
* 将指定的元素追加到此列表的末尾。
*
* @param e element to be appended to this list
* @return true (as specified by {@link Collection#add})
*/
public boolean add(E e) {
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
elementData[size++] = e;
return true;
}
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
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在jdk1.8里进行扩容的时候，扩容的大小为原来的1.5倍，再把原先在数组的元素copy到扩容后的数组中，最后将引用指向扩容后的数组即完成了ArrayList的扩容。请看下面示例代码
/**
* 增加容量以确保它至少可以容纳
* 最小容量参数指定的元素数。
*
* @param minCapacity the desired minimum capacity
*/
private void grow(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length;
//这里采用了位运算，右移移位，相当于除以2的操作，位运算的操作效率高于直接除2的运算
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);
}
4.我们在创建一个ArrayList时不指定它的长度会有问题吗？
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要回答这个问题，我们先来看一段代码
可以看到其实我们并没有在创建时指定其长度大小，那它是怎么做到的呢？哈哈，别急，我们现在就去探索其中的原由
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我们先去看下它的一个无参构造方法
/**
* 构造一个初始容量为10的空列表
*/
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
我们再点DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA进去看看
/**
* 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 = {};
也就是说当我们没有去指定ArrayList的初始长度时，数组的长度默认是0，当我们向ArrayList中add元素时，才分配一个默认长度为10的初试容量
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我们再来看看它的一个有参构造方法
/**
* 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);
}
}
看到这里想必小伙伴们应该可以解除自己心中的一些迷惑了吧。
5.ArrayList线程安全吗？
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显然ArrayList是线程不安全的，为什么呢？下面举个简单的例子。请看下面示例代码
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
List<Object> arrayList = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < 20000; i++) {
new Thread(()->{arrayList.add(Thread.currentThread().getName());}).start();
}
Thread.sleep(3000);
System.out.println(arrayList.size());
}
经过多次运行，其输出结果分别为18842、19997、19996等，可见输出的结果不仅不一样，而且并不是我们想要得到的结果（20000）
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那我们怎么去保证在使用ArrayList时保证它的一个线程安全呢？
1.加同步锁synchronized
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
List<String> list = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < 20000; i++) {
new Thread(()->{
synchronized (list) {
list.add(Thread.currentThread().getName());
}
}).start();
}
Thread.sleep(3000);//由于计算机运行速度过快，这里不进行阻塞的话在list还没有add完元素之前就已经执行主线程的输出语句了（这样的结果是一点会小于20000的）
System.out.println(list.size());
}
结论：这样可以达到我们ArrayList线程安全的效果，但是加synchronized同步锁的话会降低系统的并发性，效率低，不推荐使用。
2.使用JUC安全类型的集合CopyOnWriteArrayList
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
CopyOnWriteArrayList<String> copyOnWriteArrayList = new CopyOnWriteArrayList<>();
for (int i = 0; i < 20000; i++) {
new Thread(()->{
copyOnWriteArrayList.add(Thread.currentThread().getName());
}).start();
}
Thread.sleep(3000);
System.out.println(copyOnWriteArrayList.size());
}
结论：使用JUC中并发包的CopyOnWriteArrayList类可以达到我们所期望的结果，推荐使用。
3.ArrayList是继承自AbstractList类，而AbstractList实现了List接口，List接口又继承了Collection类，我们知道Collections是我们Collection集合类的一个帮助类，提供了一系列静态方法，用于对集合中元素进行排序、搜索以及线程安全等各种操作。因此，我们可以使用它为我们提供的静态方法来实现线程安全操作
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
List<String> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
for (int i = 0; i < 20000; i++) {
new Thread(()->{
list.add(Thread.currentThread().getName());
}).start();
}
Thread.sleep(3000);
System.out.println(list.size());
}
结论：使用Collections工具类所提供的静态方法可以保证对一些集合操作线程安全性，推荐使用。
6.ArrayList适合做队列吗？
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我们知道，队列一般是先进先出（FIFO）的，如果用ArrayList做队列的话，就需要在数组尾部来添加数据，在数组头部删除数据，但是无论怎么样总会有一些操作会涉及到数据的搬迁，这个是比较消耗性能的，所以并不推荐用ArrayList做队列。