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java集合系列(3)ArrayList

运维开发网 https://www.qedev.com 2021-01-17 08:25 出处:51CTO 作者:mb5ffd6fed5661e
这篇文章开始介绍ArrayList。ArrayList基本上是我们在平时的开发当中,使用最多的一个集合类了,它是一个其容量能够动态增长的动态数组。所以这篇文章,旨在从源码的角度进行分析和理解。为了使得文章更加有条理,还是先给出这篇文章的大致脉络:首先,ArrayList的基本介绍和源码API(只给出方法分析,重要的方法给出详细代码)。然后,介绍遍历ArrayList的几种方式接下来,叙述一下Arr

这篇文章开始介绍ArrayList。ArrayList基本上是我们在平时的开发当中,使用最多的一个集合类了,它是一个其容量能够动态增长的动态数组。所以这篇文章,旨在从源码的角度进行分析和理解。为了使得文章更加有条理,还是先给出这篇文章的大致脉络:

首先,ArrayList的基本介绍和源码API(只给出方法分析,重要的方法给出详细代码)。

然后,介绍遍历ArrayList的几种方式

接下来,叙述一下ArrayList与其他集合关键字的区别和优缺点

最后,进行一个总结

OK,开始今天的文章。

一、ArrayList认识

1、概念

概念:ArrayList是一个其容量能够动态增长的动态数组。但是他又和数组不一样,下面会分析对比。它继承了AbstractList,实现了List、RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable。

2、继承关系

为此我们需要先知道ArrayList在整个java集合框架体系里面处于一个什么样的位置。一张图来说明:

从上面我们发现ArrayList的最根部就是实现了Collection接口。下面我们深入进去,看看从ArrayList的角度来分析一下继承关系:

上面这张图基本上描述的很清晰了,实现了四个接口一个抽象类。它继承了AbstractList抽象类,实现了List、RandomAccess, Cloneable, Serializable接口。

  • 它继承于AbstractList,实现了List,RandomAccess[随机访问],Cloneable[可克隆], java.io.Serializable[序列化]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。

  • 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。

3、特点

基本的ArrayList,常常用于随机访问元素,但是在List中间插入和移除元素时较慢。同时,ArrayList的操作不是线程安全的!一般在单线程中才使用ArrayList,而在多线程中一般使用Vector或者CopyOnWriteArrayList。对于这些我们先有一个概念。

OK,对于ArrayList的基本认识,主要就是知道是动态的数组,还有其继承关系就可以了,关于他的特点,我们知道其是数组,那么特点就和数组的一样了:随机访问元素比较好。

二、从源码分析ArrayList

既然它继承了AbstractList抽象类,实现了List、RandomAccess, Cloneable, Serializable接口。 那么他肯定就会有继承过来的特性,下面对其方法先进行一个归纳整理。

1、构造方法

  • ArrayList():构造一个初始容量为10的空列表

  • ArrayList(Collection<?extend E> c):构造一个包含指定元素的列表

  • ArrayList( int initialCapcity ):构造一个具有初始容量值得空列表

下面看一下代码实现:

//第一种、调用ArrayList(10) 默认初始化一个大小为10的object数组。

public ArrayList() {

   this(10);

}

//第二种

public ArrayList(int initialCapacity) {    

 //如果用户初始化大小小于0抛异常,否则新建一个用户初始值大小的object数组。  

    if (initialCapacity < 0)

        throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+initialCapacity);

    this.elementData = new Object[initialCapacity];

//第三种:将容器数组化处理并将这个数组值赋给Object数组。

public ArrayList(Collection<? extends E> c) {

    elementData = c.toArray();

    size = elementData.length;

    // 当c.toArray返回的不是object类型的数组时,进行下面转化。

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

       elementData = Arrays.copyOf(elementData, size,Object[].class);

}

2、增删改查操作

对于增删改查的基本操作,在这里只给出一些比较重要的源代码,实现起来比较简单的就不给出了。

(1)增加元素

  • add(E e):添加一个元素到列表的末尾。

  • add( int index, E element ) :在指定的位置添加元素

  • addAll( Collection<? extends E> c ):添加一个集合到元素的末尾.以上返回类型是boolean

  • ensureCapcity(int minCapcity):确保列表中含有minCapcity的最小容量

下面代码看一下其实现(给出第一个增加元素的方法实现):

//第一步:

public boolean add(E e) {

   // 加入元素前检查数组的容量是否足够

   ensureCapacityInternal(size + 1);  

   elementData[size++] = e;

   return true;

}

//第二步:

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {

   modCount++;

   // 如果添加元素后大于当前数组的长度,则进行扩容

   if (minCapacity - elementData.length > 0)   grow(minCapacity);

//第三步:(扩容)

private void grow(int minCapacity) {

   int oldCapacity = elementData.length;

   //将数组的长度增加原来数组的一半。

   int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);

   if (newCapacity - minCapacity < 0)   newCapacity = minCapacity;

   //如果扩充一半后仍然不够,则 newCapacity = minCapacity;minCapacity实际元素的个数。

   if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)    newCapacity =hugeCapacity(minCapacity);

   elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);

}    

下面代码看一下其实现(给出第二个增加元素的方法实现):

//第一步:

public void add(int index, E element) {

    rangeCheckForAdd(index);

//检查index的值是否在0到size之间,可以为size。

    ensureCapacityInternal(size + 1);  // 看elementData的长度是否足够,不够扩容

//将elementData从index开始后面的元素往后移一位。       

    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,size - index);

    elementData[index] = element;

    size++;

}

//第二步:

private void rangeCheckForAdd(int index) {

    if (index > size || index < 0)

        throw newIndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));

}

//第三步: 

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {

    modCount++;

    if (minCapacity - elementData.length > 0)    grow(minCapacity);

}

(2)删除操作

  • remove(Object o):删除列表中第一个出现O的元素

  • remove( int index):删除列表中指定位置的元素

  • removeAll(Collection<?> c):删除列表中包含C的所有元素

  • removeIf(Predictcate<? super E> filter):删除列表中给定谓词的所有元素

  • removeRange( int from,int to ):删除从from到to的所有元素

  • clear():清除所有的元素。返回类型为void

看代码实现:

public E remove(int index) {

   //第一步:如果index>=size抛出异常

   rangeCheck(index);

   modCount++;

   //第二步:获取删除元素的值

   E oldValue = elementData(index);

//第三步:将index后面所有的元素往前移一位。

   int numMoved = size - index - 1;

   if (numMoved > 0)

       System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,numMoved);

   elementData[--size] = null; 

//第四步:返回要删除的原数。

   return oldValue;

}

上面的只是其中一种实现方式,再来看一种:

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;

}

(3)更改操作

  • retainAll( Collection<?> c ):仅仅保留列表中和C相同的元素,相当于&运算

  • set(int index,E element):用element替换index位置上的元素。

  • size():返回此列表的元素数

  • sort(Comparator<? super E> c):按照指定的排序规则排序

  • subList( int from , int to ):返回从from到to之间的列表

  • toArray():将列表转化为数组

  • trimToSize( ):修改当前实例的容量是列表的当前大小。

我们看一下set操作:

//第一步:

public E set(int index, E element) {

//检查index是否小于size,如果不是抛异常

   rangeCheck(index);

   E oldValue = elementData(index);

   //覆盖ArrayList中index上的元素。

   elementData[index] = element;

   //返回被覆盖的元素。

   return oldValue;

}

//第二步:    

private void rangeCheck(int index) {

   if (index >= size)   throw newIndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));

}

再来看看subList操作:

public List<E> subList(int arg0, int arg1) {

subListRangeCheck(arg0, arg1, this.size);

return new ArrayList.SubList(this, 0, arg0, arg1);

}

还有trimToSize

1)修改次数加1

2)将elementData中空余的空间(包括null值)去除,例如:数组长度为10,其中只有前三个元素有值,其他为空,那么调用该方法之后,数组的长度变为3.

public void trimToSize() {

  modCount++;

  if (size < elementData.length) {

     elementData = (size == 0) ? EMPTY_ELEMENTDATA:Arrays.copyOf(elementData, size);

  }

}

最后就是toArray用法

// 第一种方式(最常用)

Integer[] integer = arrayList.toArray(new Integer[0]);

// 第二种方式(容易理解)

Integer[] integer1 = new Integer[arrayList.size()];

arrayList.toArray(integer1);

// 抛出异常,java不支持向下转型

//Integer[] integer2 = new Integer[arrayList.size()];

//integer2 = arrayList.toArray();

(4)查操作

  • contains(Object o):如果包含元素o,则返回为true

  • get(int  index):返回指定索引的元素

  • indexOf( Object o ):返回此列表中指定元素的第一次出现的索引,如果列表不包含此元素,返回-1

  • lastindexOf( Object o ):返回此列表中指定元素的最后一次出现的索引,如果列表不包含此元素,返回-1

  • isEmpty():如果列表为空,返回true.

  • iterator():返回列表中元素的迭代器

  • listIterator():返回列表的列表迭代器(按适当的顺序)

  • listIterator(int index):从适当的位置返回列表的列表迭代器(按照正确的顺序)

先看一下contain()

public boolean contains(Object o) {

    return indexOf(o) >= 0;

}

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;

}

还有重要的iterator方法,不过在这里我们不去看,因为在遍历的时候会使用。

三、遍历

在这里给出三种常用的遍历方法

public class Test1 {

    public static void main(String[] args) {

        List<String> list1=new ArrayList<>();

        list1.add("张三");

        list1.add("李四");

        list1.add("王五");

        //第一种遍历方式:迭代器

        Iterator<String> it=list1.iterator();

        while(it.hasNext()) {

                System.out.println(it.next());

        }

        //第二种遍历方式,效率最高

        for(int i=0;i<list1.size();i++) {

            String aaa1=list1.get(0);

            System.out.println(aaa1);

        }

        //第三种方式:for-each

        for(String a:list1) {

            System.out.println(a);

        }

    }

}

要问哪一种效率最高:第二种遍历的效率是最高的。想要验证的话,你只需要加一个时间差就好了。

四、ArrayList需要知道的几个问题

1、与数组的比较

java集合系列(3)ArrayList

2、与LinkList、Vector对比区别

分析得出下面结论:

(1)ArrayList 本质上是一个可改变大小的数组.当元素加入时,其大小将会动态地增长.内部的元素可以直接通过get与set方法进行访问.元素顺序存储 ,随机访问很快,删除非头尾元素慢,新增元素慢而且费资源 ,较适用于无频繁增删的情况 ,比数组效率低,如果不是需要可变数组,可考虑使用数组 ,非线程安全.

(2)LinkedList 是一个双链表,在添加和删除元素时具有比ArrayList更好的性能.但在get与set方面弱于ArrayList. 适用于 :没有大规模的随机读取,有大量的增加/删除操作.随机访问很慢,增删操作很快,不耗费多余资源 ,允许null元素,非线程安全.

(3)Vector (类似于ArrayList)但其是同步的,开销就比ArrayList要大。如果你的程序本身是线程安全的,那么使用ArrayList是更好的选择。 Vector和ArrayList在更多元素添加进来时会请求更大的空间。Vector每次请求其大小的双倍空间,而ArrayList每次对size增长50%.

五、总结

ArrayList总体来说比较简单,不过ArrayList还有以下一些特点:

  • ArrayList自己实现了序列化和反序列化的方法,因为它自己实现了

    private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)、

    private void readObject(java.io.ObjectInputStream s) 方法

  • ArrayList基于数组方式实现,无容量的限制(会扩容)

  • 添加元素时可能要扩容(所以最好预判一下),删除元素时不会减少容量(若希望减少容量,trimToSize()),删除元素时,将删除掉的位置元素置为null,下次gc就会回收这些元素所占的内存空间

  • 线程不安全,会出现fall-fail。下一篇文章会详细讲,

  • add(int index, E element):添加元素到数组中指定位置的时候,需要将该位置及其后边所有的元素都整块向后复制一位

  • get(int index):获取指定位置上的元素时,可以通过索引直接获取(O(1))

  • remove(Object o)需要遍历数组

  • remove(int index)不需要遍历数组,只需判断index是否符合条件即可,效率比remove(Object o)高

  • contains(E)需要遍历数组

  • 使用iterator遍历可能会引发多线程异常

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