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Java 集合系列03之 ArrayList详细介绍(源码解析)和使用示例

發布時間：2023/12/3 java 28 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了 Java 集合系列03之 ArrayList详细介绍(源码解析)和使用示例小編覺得挺不錯的,現在分享給大家,幫大家做個參考.

轉載自??Java 集合系列03之 ArrayList詳細介紹(源碼解析)和使用示例

第1部分 ArrayList介紹

ArrayList簡介

ArrayList 是一個數組隊列，相當于?動態數組。與Java中的數組相比，它的容量能動態增長。它繼承于AbstractList，實現了List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable這些接口。

ArrayList?繼承了AbstractList，實現了List。它是一個數組隊列，提供了相關的添加、刪除、修改、遍歷等功能。
ArrayList?實現了RandmoAccess接口，即提供了隨機訪問功能。RandmoAccess是java中用來被List實現，為List提供快速訪問功能的。在ArrayList中，我們即可以通過元素的序號快速獲取元素對象；這就是快速隨機訪問。稍后，我們會比較List的“快速隨機訪問”和“通過Iterator迭代器訪問”的效率。

ArrayList 實現了Cloneable接口，即覆蓋了函數clone()，能被克隆。

ArrayList 實現java.io.Serializable接口，這意味著ArrayList支持序列化，能通過序列化去傳輸。

和Vector不同，ArrayList中的操作不是線程安全的！所以，建議在單線程中才使用ArrayList，而在多線程中可以選擇Vector或者CopyOnWriteArrayList。

ArrayList構造函數

// 默認構造函數 ArrayList()// capacity是ArrayList的默認容量大小。當由于增加數據導致容量不足時，容量會添加上一次容量大小的一半。 ArrayList(int capacity)// 創建一個包含collection的ArrayList ArrayList(Collection<? extends E> collection)

ArrayList的API

// Collection中定義的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中定義的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數據結構

ArrayList的繼承關系

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與Collection關系如下圖：

ArrayList包含了兩個重要的對象：elementData?和?size。

(01)?elementData?是"Object[]類型的數組"，它保存了添加到ArrayList中的元素。實際上，elementData是個動態數組，我們能通過構造函數 ArrayList(int initialCapacity)來執行它的初始容量為initialCapacity；如果通過不含參數的構造函數ArrayList()來創建ArrayList，則elementData的容量默認是10。elementData數組的大小會根據ArrayList容量的增長而動態的增長，具體的增長方式，請參考源碼分析中的ensureCapacity()函數。

(02)?size?則是動態數組的實際大小。

第3部分 ArrayList源碼解析(基于JDK1.6.0_45)

為了更了解ArrayList的原理，下面對ArrayList源碼代碼作出分析。ArrayList是通過數組實現的，源碼比較容易理解。

package java.util;public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {// 序列版本號private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;// 保存ArrayList中數據的數組private transient Object[] elementData;// ArrayList中實際數據的數量private int size;// ArrayList帶容量大小的構造函數。public ArrayList(int initialCapacity) {super();if (initialCapacity < 0)throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+initialCapacity);// 新建一個數組this.elementData = new Object[initialCapacity];}// ArrayList構造函數。默認容量是10。public ArrayList() {this(10);}// 創建一個包含collection的ArrayListpublic 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);}// 將當前容量值設為 =實際元素個數public void trimToSize() {modCount++;int oldCapacity = elementData.length;if (size < oldCapacity) {elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);}}// 確定ArrarList的容量。// 若ArrayList的容量不足以容納當前的全部元素，設置新的容量=“(原始容量x3)/2 + 1”public void ensureCapacity(int minCapacity) {// 將“修改統計數”+1modCount++;int oldCapacity = elementData.length;// 若當前容量不足以容納當前的元素個數，設置新的容量=“(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epublic boolean add(E e) {// 確定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的實際大小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是否為空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(從數組末尾向開始查找)，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數組public Object[] toArray() {return Arrays.copyOf(elementData, size);}// 返回ArrayList的模板數組。所謂模板數組，即可以將T設為任意的數據類型public <T> T[] toArray(T[] a) {// 若數組a的大小 < ArrayList的元素個數；// 則新建一個T[]數組，數組大小是“ArrayList的元素個數”，并將“ArrayList”全部拷貝到新數組中if (a.length < size)return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass());// 若數組a的大小 >= ArrayList的元素個數；// 則將ArrayList的全部元素都拷貝到數組a中。System.arraycopy(elementData, 0, a, 0, size);if (a.length > size)a[size] = null;return a;}// 獲取index位置的元素值public E get(int index) {RangeCheck(index);return (E) elementData[index];}// 設置index位置的值為elementpublic E set(int index, E element) {RangeCheck(index);E oldValue = (E) elementData[index];elementData[index] = element;return oldValue;}// 將e添加到ArrayList中public boolean add(E e) {ensureCapacity(size + 1); // Increments modCount!!elementData[size++] = e;return true;}// 將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++;}// 刪除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 workreturn oldValue;}// 刪除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;}// 快速刪除第index個元素private void fastRemove(int index) {modCount++;int numMoved = size - index - 1;// 從"index+1"開始，用后面的元素替換前面的元素。if (numMoved > 0)System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,numMoved);// 將最后一個元素設為nullelementData[--size] = null; // Let gc do its work}// 刪除元素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”，則刪除，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，將全部的元素設為nullpublic void clear() {modCount++;for (int i = 0; i < size; i++)elementData[i] = null;size = 0;}// 將集合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 modCountSystem.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);size += numNew;return numNew != 0;}// 從index位置開始，將集合c添加到ArrayListpublic 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 modCountint 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;}// 刪除fromIndex到toIndex之間的全部元素。protected void removeRange(int fromIndex, int toIndex) {modCount++;int numMoved = size - toIndex;System.arraycopy(elementData, toIndex, elementData, fromIndex,numMoved);// Let gc do its workint 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);}// 克隆函數public Object clone() {try {ArrayList<E> v = (ArrayList<E>) super.clone();// 將當前ArrayList的全部元素拷貝到v中v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);v.modCount = 0;return v;} catch (CloneNotSupportedException e) {// this shouldn't happen, since we are Cloneablethrow new InternalError();}}// java.io.Serializable的寫入函數// 將ArrayList的“容量，所有的元素值”都寫入到輸出流中private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)throws java.io.IOException{// Write out element count, and any hidden stuffint expectedModCount = modCount;s.defaultWriteObject();// 寫入“數組的容量”s.writeInt(elementData.length);// 寫入“數組的每一個元素”for (int i=0; i<size; i++)s.writeObject(elementData[i]);if (modCount != expectedModCount) {throw new ConcurrentModificationException();}}// java.io.Serializable的讀取函數：根據寫入方式讀出// 先將ArrayList的“容量”讀出，然后將“所有的元素值”讀出private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {// Read in size, and any hidden stuffs.defaultReadObject();// 從輸入流中讀取ArrayList的“容量”int arrayLength = s.readInt();Object[] a = elementData = new Object[arrayLength];// 從輸入流中將“所有的元素值”讀出for (int i=0; i<size; i++)a[i] = s.readObject();} }

總結：

(01) ArrayList 實際上是通過一個數組去保存數據的。當我們構造ArrayList時；若使用默認構造函數，則ArrayList的默認容量大小是10。
(02) 當ArrayList容量不足以容納全部元素時，ArrayList會重新設置容量：新的容量=“(原始容量x3)/2 + 1”。
(03) ArrayList的克隆函數，即是將全部元素克隆到一個數組中。
(04) ArrayList實現java.io.Serializable的方式。當寫入到輸出流時，先寫入“容量”，再依次寫入“每一個元素”；當讀出輸入流時，先讀取“容量”，再依次讀取“每一個元素”。

第4部分 ArrayList遍歷方式

ArrayList支持3種遍歷方式

(01) 第一種，通過迭代器遍歷。即通過Iterator去遍歷。

Integer value = null; Iterator iter = list.iterator(); while (iter.hasNext()) {value = (Integer)iter.next(); }

(02) 第二種，隨機訪問，通過索引值去遍歷。
由于ArrayList實現了RandomAccess接口，它支持通過索引值去隨機訪問元素。

Integer value = null; int size = list.size(); for (int i=0; i<size; i++) {value = (Integer)list.get(i); }

(03) 第三種，for循環遍歷。如下：

Integer value = null; for (Integer integ:list) {value = integ; }

下面通過一個實例，比較這3種方式的效率，實例代碼(ArrayListRandomAccessTest.java)如下：

import java.util.*; import java.util.concurrent.*;/** @desc ArrayList遍歷方式和效率的測試程序。** @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");} }

運行結果：

iteratorThroughRandomAccess：3 ms
iteratorThroughIterator：8 ms
iteratorThroughFor2：5 ms

由此可見，遍歷ArrayList時，使用隨機訪問(即，通過索引序號訪問)效率最高，而使用迭代器的效率最低！

第5部分 toArray()異常

當我們調用ArrayList中的?toArray()，可能遇到過拋出“java.lang.ClassCastException”異常的情況。下面我們說說這是怎么回事。

ArrayList提供了2個toArray()函數：

Object[] toArray() <T> T[] toArray(T[] contents)

調用 toArray() 函數會拋出“java.lang.ClassCastException”異常，但是調用 toArray(T[] contents) 能正常返回 T[]。

toArray() 會拋出異常是因為?toArray()?返回的是 Object[] 數組，將 Object[] 轉換為其它類型(如如，將Object[]轉換為的Integer[])則會拋出“java.lang.ClassCastException”異常，因為Java不支持向下轉型。具體的可以參考前面ArrayList.java的源碼介紹部分的toArray()。
解決該問題的辦法是調用 <T> T[] toArray(T[] contents) ，而不是 Object[] toArray()。

調用 toArray(T[] contents) 返回T[]的可以通過以下幾種方式實現。

// toArray(T[] contents)調用方式一 public static Integer[] vectorToArray1(ArrayList<Integer> v) {Integer[] newText = new Integer[v.size()];v.toArray(newText);return newText; }// toArray(T[] contents)調用方式二。最常用！ public static Integer[] vectorToArray2(ArrayList<Integer> v) {Integer[] newText = (Integer[])v.toArray(new Integer[0]);return newText; }// toArray(T[] contents)調用方式三 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

本文通過一個實例(ArrayListTest.java)，介紹 ArrayList 中常用API的用法。?

import java.util.*;/** @desc ArrayList常用API的測試程序* @author skywang * @email kuiwu-wang@163.com*/ public class ArrayListTest {public static void main(String[] args) {// 創建ArrayListArrayList list = new ArrayList();// 將“”list.add("1");list.add("2");list.add("3");list.add("4");// 將下面的元素添加到第1個位置list.add(0, "5");// 獲取第1個元素System.out.println("the first element is: "+ list.get(0));// 刪除“3”list.remove("3");// 獲取ArrayList的大小System.out.println("Arraylist size=: "+ list.size());// 判斷list中是否包含"3"System.out.println("ArrayList contains 3 is: "+ list.contains(3));// 設置第2個元素為10list.set(1, "10");// 通過Iterator遍歷ArrayListfor(Iterator iter = list.iterator(); iter.hasNext(); ) {System.out.println("next is: "+ iter.next());}// 將ArrayList轉換為數組String[] arr = (String[])list.toArray(new String[0]);for (String str:arr)System.out.println("str: "+ str);// 清空ArrayListlist.clear();// 判斷ArrayList是否為空System.out.println("ArrayList is empty: "+ list.isEmpty());} }