Java基础之ArrayList

1. 概述

ArrayList实现了List接口，是顺序容器，即元素存放的数据与放进去的顺序相同，允许放入null元素，底层通过数组实现。除该类未实现同步外，其余跟Vector大致相同。每个ArrayList都有一个容量（capacity），表示底层数组的实际大小，容器内存储元素的个数不能多于当前容量。当向容器中添加元素时，如果容量不足，容器会自动增大底层数组的大小。前面已经提过，Java泛型只是编译器提供的语法糖，所以这里的数组是一个Object数组，以便能够容纳任何类型的对象。
size(), isEmpty(), get(), set()方法均能在常数时间内完成，add()方法的时间开销跟插入位置有关，addAll()方法的时间开销跟添加元素的个数成正比。其余方法大都是线性时间。

为追求效率，ArrayList没有实现同步（synchronized），如果需要多个线程并发访问，用户可以手动同步，也可使用Vector替代。

• 会自动扩容的数组，线程不安全
• 查询快，增删慢

---

2. 底层实现

• Object数组实现，存入元素时会丢失类型

// 默认容量
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

// 底层存储数组
transient Object[] elementData; 

• 新创建的ArrayList，若在创建时没有指定初始容量，则默认初始容量为0，当添加第一个元素时，扩展容量为默认容量10 （ ArrayList的初始容量现在为0，不再是10了）
• 当容量不为0时，若不够用，则扩展为原长度的1.5倍

private void grow(int minCapacity) {
	// overflow-conscious code
	int oldCapacity = elementData.length;
	int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // 右移相当于除以2，整体相当于扩容1.5倍
	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);
}

---

3. 常用方法介绍

3.1 set()

• 作用：设置给定下标处的值，并返回坐标处的旧值
• 入参：下标，值
• 返回值：给定坐标处的旧值

public E set(int index, E element) {
    rangeCheck(index);//下标越界检查
    E oldValue = elementData(index);
    elementData[index] = element;//赋值到指定位置，复制的仅仅是引用
    return oldValue;
}

注意：入参中的下标必须小于数组长度，否则会报 IndexOutOfBoundsException

---

3.2 get()

• 作用：获取特定下标处的值
• 入参：下标
• 返回值：给定坐标处的值（由于底层数组是Object[]，得到元素后需要进行类型转换）

public E get(int index) {
    rangeCheck(index);
    return (E) elementData[index];//注意类型转换
}

---

3.3 add()

• 作用：往尾部（特定下标处）添加元素
• 入参：（下标）元素
• 返回值：true

public boolean add(E e) {
	ensureCapacityInternal(size + 1);  // 空间检查
	elementData[size++] = e;
	return true;
}

public void add(int index, E element) {
	rangeCheckForAdd(index);  // 下标检查
	
	ensureCapacityInternal(size + 1);  // 空间检查
	System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
	                 size - index);
	elementData[index] = element;
	size++;
}

---

3.4 addAll()

addAll() 方法能够一次添加多个元素，根据位置不同也有两个版本，一个是在末尾添加的 addAll(Collection<? extends E> c)方法，一个是从指定位置开始插入的 addAll(int index, Collection<? extends E> c) 方法。跟 add() 方法类似，在插入之前也需要进行空间检查，如果需要则自动扩容；如果从指定位置插入，也会存在移动元素的情况。 addAll() 的时间复杂度不仅跟插入元素的多少有关，也跟插入的位置相关。

---

3.5 remove()

remove() 方法也有两个版本，一个是 remove(int index) 删除指定位置的元素，另一个是 remove(Object o) 删除第一个满足o.equals(elementData[index]) 的元素。删除操作是 add() 操作的逆过程，需要将删除点之后的元素向前移动一个位置。需要注意的是为了让GC起作用，必须显式的为最后一个位置赋null值。

public E remove(int index) {
    rangeCheck(index);
    modCount++;
    E oldValue = elementData(index);
    int numMoved = size - index - 1;
    if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
    elementData[--size] = null; //清除该位置的引用，让GC起作用
    return oldValue;
}

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;
}

注意：如果ArrayList中的元素类型时Integer，则用remove方法参数还是被解释成下标！

---

4. 遍历方法

4.1 Iterator方法遍历

for(Iterator it = list.iterator();it.hasNext();){
     System.out.println(it.next());
}

遍历时不能使用list的删除方法，否则会报并发修改异常，但是可以使用迭代器的删除方法

---

4.2 for循环遍历

for(int i = 0;i < list.size(); i ++){
    System.out.println(list.get(i));
}

遍历时可以修改list

---

4.3 增强for循环遍历

for(String tmp:list){
    System.out.println(tmp);
}

底层基于迭代器实现，遍历时不能使用list的删除方法，否则会报并发修改异常，但是可以使用迭代器的删除方法

---

5. 类比LinkedList、Vector

List主要有ArrayList、LinkedList与Vector几种实现。

这三者都实现了List 接口，使用方式也很相似,主要区别在于因为实现方式的不同,所以对不同的操作具有不同的效率。

ArrayList 是一个可改变大小的数组.当更多的元素加入到ArrayList中时,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,因为ArrayList本质上就是一个数组.

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.

当然,这些对比都是指数据量很大或者操作很频繁的情况下的对比,如果数据和运算量很小,那么对比将失去意义.

Vector 和ArrayList类似,但属于强同步类。如果你的程序本身是线程安全的(thread-safe,没有在多个线程之间共享同一个集合/对象),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%.

而 LinkedList 还实现了 Queue 接口,该接口比List提供了更多的方法,包括 offer(),peek(),poll()等.

注意: 默认情况下ArrayList的初始容量非常小,所以如果可以预估数据量的话,分配一个较大的初始值属于最佳实践,这样可以减少调整大小的开销。

---

6. 参考

• ArrayList的初始容量现在为0，不再是10了
• Java ArrayList底层实现原理
• 《深入理解Java集合框架》