Java集合(二)ArrayList源码解析和使用介绍

一:ArrayList介绍

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。
  • 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的继承关系

  1. java.lang.Object  
  2.         java.util.AbstractCollection<E>  
  3.               java.util.AbstractList<E>  
  4.                     java.util.ArrayList<E>  
  5.  
  6. public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>  
  7.         implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {} 

ArrayList与Collection关系如下图

Java集合(二)ArrayList源码解析和使用介绍_第1张图片

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)

二:ArrayList源码解析

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

package java.util;  
 
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>  
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable  
{  
    // 序列版本号  
    private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;  
 
    // 保存ArrayList中数据的数组  
    private transient Object[] elementData;  
 
    // ArrayList中实际数据的数量  
    private int size;  
 
    // ArrayList带容量大小的构造函数。  
    public ArrayList(int initialCapacity) {  
        super();  
        if (initialCapacity < 0)  
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+  
                                               initialCapacity);  
        // 新建一个数组  
        this.elementData = new Object[initialCapacity];  
    }  
 
    // ArrayList构造函数。默认容量是10。  
    public ArrayList() {  
        this(10);  
    }  
 
    // 创建一个包含collection的ArrayList  
    public ArrayList(Collection<? extends E> c) {  
        elementData = c.toArray();  
        size = elementData.length;  
        // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)  
        if (elementData.getClass() != Object[].class)  
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);  
    }  
 
    // 将当前容量值设为 =实际元素个数  
    public void trimToSize() {  
        modCount++;  
        int oldCapacity = elementData.length;  
        if (size < oldCapacity) {  
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);  
        }  
    }  
 
    // 确定ArrarList的容量。  
    // 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”  
    public void ensureCapacity(int minCapacity) {  
        // 将“修改统计数”+1  
        modCount++;  
        int oldCapacity = elementData.length;  
        // 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”  
        if (minCapacity > oldCapacity) {  
            Object oldData[] = elementData;  
            int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1;  
            if (newCapacity < minCapacity)  
                newCapacity = minCapacity;  
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);  
        }  
    }  
 
    // 添加元素e  
    public boolean add(E e) {  
        // 确定ArrayList的容量大小  
        ensureCapacity(size + 1);  // Increments modCount!!  
        // 添加e到ArrayList中  
        elementData[size++] = e;  
        return true;  
    }  
 
    // 返回ArrayList的实际大小  
    public int size() {  
        return size;  
    }  
 
    // 返回ArrayList是否包含Object(o)  
    public boolean contains(Object o) {  
        return indexOf(o) >= 0;  
    }  
 
    // 返回ArrayList是否为空  
    public boolean isEmpty() {  
        return size == 0;  
    }  
 
    // 正向查找,返回元素的索引值  
    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;  
        }  
 
        // 反向查找,返回元素的索引值  
        public int lastIndexOf(Object o) {  
        if (o == null) {  
            for (int i = size-1; i >= 0; i--)  
            if (elementData[i]==null)  
                return i;  
        } else {  
            for (int i = size-1; i >= 0; i--)  
            if (o.equals(elementData[i]))  
                return i;  
        }  
        return -1;  
    }  
 
    // 反向查找(从数组末尾向开始查找),返回元素(o)的索引值  
    public int lastIndexOf(Object o) {  
        if (o == null) {  
            for (int i = size-1; i >= 0; i--)  
            if (elementData[i]==null)  
                return i;  
        } else {  
            for (int i = size-1; i >= 0; i--)  
            if (o.equals(elementData[i]))  
                return i;  
        }  
        return -1;  
    }  
   
 
    // 返回ArrayList的Object数组  
    public Object[] toArray() {  
        return Arrays.copyOf(elementData, size);  
    }  
 
    // 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  
    public <T> T[] toArray(T[] a) {  
        // 若数组a的大小 < ArrayList的元素个数;  
        // 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  
        if (a.length < size)  
            return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass());  
 
        // 若数组a的大小 >= ArrayList的元素个数;  
        // 则将ArrayList的全部元素都拷贝到数组a中。  
        System.arraycopy(elementData, 0, a, 0, size);  
        if (a.length > size)  
            a[size] = null;  
        return a;  
    }  
 
    // 获取index位置的元素值  
    public E get(int index) {  
        RangeCheck(index);  
 
        return (E) elementData[index];  
    }  
 
    // 设置index位置的值为element  
    public E set(int index, E element) {  
        RangeCheck(index);  
 
        E oldValue = (E) elementData[index];  
        elementData[index] = element;  
        return oldValue;  
    }  
 
    // 将e添加到ArrayList中  
    public boolean add(E e) {  
        ensureCapacity(size + 1);  // Increments modCount!!  
        elementData[size++] = e;  
        return true;  
    }  
 
    // 将e添加到ArrayList的指定位置  
    public void add(int index, E element) {  
        if (index > size || index < 0)  
            throw new IndexOutOfBoundsException(  
            "Index: "+index+", Size: "+size);  
 
        ensureCapacity(size+1);  // Increments modCount!!  
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,  
             size - index);  
        elementData[index] = element;  
        size++;  
    }  
 
    // 删除ArrayList指定位置的元素  
    public E remove(int index) {  
        RangeCheck(index);  
 
        modCount++;  
        E oldValue = (E) elementData[index];  
 
        int numMoved = size - index - 1;  
        if (numMoved > 0)  
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,  
                 numMoved);  
        elementData[--size] = null; // Let gc do its work  
 
        return oldValue;  
    }  
 
    // 删除ArrayList的指定元素  
    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;  
    }  
 
 
    // 快速删除第index个元素  
    private void fastRemove(int index) {  
        modCount++;  
        int numMoved = size - index - 1;  
        // 从"index+1"开始,用后面的元素替换前面的元素。  
        if (numMoved > 0)  
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,  
                             numMoved);  
        // 将最后一个元素设为null  
        elementData[--size] = null; // Let gc do its work  
    }  
 
    // 删除元素  
    public boolean remove(Object o) {  
        if (o == null) {  
            for (int index = 0; index < size; index++)  
            if (elementData[index] == null) {  
                fastRemove(index);  
            return true;  
            }  
        } else {  
            // 便利ArrayList,找到“元素o”,则删除,并返回true。  
            for (int index = 0; index < size; index++)  
            if (o.equals(elementData[index])) {  
                fastRemove(index);  
            return true;  
            }  
        }  
        return false;  
    }  
 
    // 清空ArrayList,将全部的元素设为null  
    public void clear() {  
        modCount++;  
 
        for (int i = 0; i < size; i++)  
            elementData[i] = null;  
 
        size = 0;  
    }  
 
    // 将集合c追加到ArrayList中  
    public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {  
        Object[] a = c.toArray();  
        int numNew = a.length;  
        ensureCapacity(size + numNew);  // Increments modCount  
        System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);  
        size += numNew;  
        return numNew != 0;  
    }  
 
    // 从index位置开始,将集合c添加到ArrayList  
    public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {  
        if (index > size || index < 0)  
            throw new IndexOutOfBoundsException(  
            "Index: " + index + ", Size: " + size);  
 
        Object[] a = c.toArray();  
        int numNew = a.length;  
        ensureCapacity(size + numNew);  // Increments modCount  
 
        int numMoved = size - index;  
        if (numMoved > 0)  
            System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew,  
                 numMoved);  
 
        System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);  
        size += numNew;  
        return numNew != 0;  
    }  
 
    // 删除fromIndex到toIndex之间的全部元素。  
    protected void removeRange(int fromIndex, int toIndex) {  
    modCount++;  
    int numMoved = size - toIndex;  
        System.arraycopy(elementData, toIndex, elementData, fromIndex,  
                         numMoved);  
 
    // Let gc do its work  
    int newSize = size - (toIndex-fromIndex);  
    while (size != newSize)  
        elementData[--size] = null;  
    }  
 
    private void RangeCheck(int index) {  
    if (index >= size)  
        throw new IndexOutOfBoundsException(  
        "Index: "+index+", Size: "+size);  
    }  
 
 
    // 克隆函数  
    public Object clone() {  
        try {  
            ArrayList<E> v = (ArrayList<E>) super.clone();  
            // 将当前ArrayList的全部元素拷贝到v中  
            v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);  
            v.modCount = 0;  
            return v;  
        } catch (CloneNotSupportedException e) {  
            // this shouldn't happen, since we are Cloneable  
            throw new InternalError();  
        }  
    }  
 
 
    // java.io.Serializable的写入函数  
    // 将ArrayList的“容量,所有的元素值”都写入到输出流中  
    private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)  
        throws java.io.IOException{  
    // Write out element count, and any hidden stuff  
    int expectedModCount = modCount;  
    s.defaultWriteObject();  
 
        // 写入“数组的容量”  
        s.writeInt(elementData.length);  
 
    // 写入“数组的每一个元素”  
    for (int i=0; i<size; i++)  
            s.writeObject(elementData[i]);  
 
    if (modCount != expectedModCount) {  
            throw new ConcurrentModificationException();  
        }  
 
    }  
 
 
    // java.io.Serializable的读取函数:根据写入方式读出  
    // 先将ArrayList的“容量”读出,然后将“所有的元素值”读出  
    private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)  
        throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {  
        // Read in size, and any hidden stuff  
        s.defaultReadObject();  
 
        // 从输入流中读取ArrayList的“容量”  
        int arrayLength = s.readInt();  
        Object[] a = elementData = new Object[arrayLength];  
 
        // 从输入流中将“所有的元素值”读出  
        for (int i=0; i<size; i++)  
            a[i] = s.readObject();  
    }  
}
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”。
 

三:ArrayList循环方式效率对比

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。<中庸>

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。<最快>
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<最慢>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: 

import java.util.*;  
import java.util.concurrent.*;  
 
/*  
 * @desc ArrayList遍历方式和效率的测试程序。  
 *  
 * @author skywang  
 */ 
public class ArrayListRandomAccessTest {  
 
    public static void main(String[] args) {  
        List list = new ArrayList();  
        for (int i=0; i<100000; i++)  
            list.add(i);  
        //isRandomAccessSupported(list);  
        iteratorThroughRandomAccess(list) ;  
        iteratorThroughIterator(list) ;  
        iteratorThroughFor2(list) ;  
      
    }  
 
    private static void isRandomAccessSupported(List list) {  
        if (list instanceof RandomAccess) {  
            System.out.println("RandomAccess implemented!");  
        } else {  
            System.out.println("RandomAccess not implemented!");  
        }  
 
    }  
 
    public static void iteratorThroughRandomAccess(List list) {  
 
        long startTime;  
        long endTime;  
        startTime = System.currentTimeMillis();  
        for (int i=0; i<list.size(); i++) {  
            list.get(i);  
        }  
        endTime = System.currentTimeMillis();  
        long interval = endTime - startTime;  
        System.out.println("iteratorThroughRandomAccess:" + interval+" ms");  
    }  
 
    public static void iteratorThroughIterator(List list) {  
 
        long startTime;  
        long endTime;  
        startTime = System.currentTimeMillis();  
        for(Iterator iter = list.iterator(); iter.hasNext(); ) {  
            iter.next();  
        }  
        endTime = System.currentTimeMillis();  
        long interval = endTime - startTime;  
        System.out.println("iteratorThroughIterator:" + interval+" ms");  
    }  
 
 
    public static void iteratorThroughFor2(List list) {  
 
        long startTime;  
        long endTime;  
        startTime = System.currentTimeMillis();  
        for(Object obj:list)  
            ;  
        endTime = System.currentTimeMillis();  
        long interval = endTime - startTime;  
        System.out.println("iteratorThroughFor2:" + interval+" ms");  
    }  
} 

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!

四: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;  
} 

五:调用示例


package org.credo.jdk.util;

import java.util.ArrayList;

import org.joda.time.DateTime;

public class TestArrayList
{

	public static void main(String[] args)
	{
		Users first=new Users("first", new DateTime(1987,06,29,05,03).toDate());
		ArrayList<Users> userList=new ArrayList<>();
		userList.add(first);
		userList.add(new Users("second", new DateTime().toDate()));
		//放到第一个
		userList.add(0, new Users("third", new DateTime().toDate()));
		
		System.out.println("The first element:"+userList.get(0).toString());
		userList.remove(first);
		System.out.println(userList.size());
		userList.add(first);
		System.out.println(userList.lastIndexOf(first));
		
		//转换为数组,new Users[userList.size()]指定的数组大小,
		//如果不指定就设为new Users[0],后续处理过程中,其内部将重新生成一个数组
		Users[] usersArray=(Users[])userList.toArray(new Users[userList.size()]);
		
		for(Users u:usersArray) {
			System.out.println("==="+u.toString());
		}
		
		//clone
		ArrayList<Users> userList2=new ArrayList<>();
		userList2=(ArrayList<Users>) userList.clone();
		System.out.println("userList2.size:"+userList2.size());
		System.out.println("userList.size:"+userList.size());
		
		userList2.clear();
		System.out.println("userList2.size:"+userList2.size());
		System.out.println("userList.size:"+userList.size());
		
		//ERROR,下列无法转换
		Users[] usersArray2=(Users[]) userList.clone();
		System.out.println("usersArray2.length:"+usersArray2.length);
	}
	
}

输出:

The first element:thirdMon Nov 24 16:20:05 CST 2014
2
2
===thirdMon Nov 24 16:20:05 CST 2014
===secondMon Nov 24 16:20:05 CST 2014
===firstMon Jun 29 05:03:00 CDT 1987
userList2.size:3
userList.size:3
userList2.size:0
userList.size:3
Exception in thread "main" java.lang.ClassCastException: java.util.ArrayList cannot be cast to [Lorg.credo.jdk.util.Users;
	at org.credo.jdk.util.TestArrayList.main(TestArrayList.java:43)





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