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 }