ArrayList详解

1、简介


ArrayList是Java集合框架中的一个重要的类,它继承于AbstractList,实现了List接口,是一个长度可变的集合,提供了增删改查的功能。集合中允许null的存在。ArrayList类还是实现了RandomAccess接口,可以对元素进行快速访问。实现了Serializable接口,说明ArrayList可以被序列化,还有Cloneable接口,可以被复制。和Vector不同的是,ArrayList不是线程安全的。

下图是ArrayList的结构层次:



2、主要方法详解


ArrayList底层使用的是Java数组来存储集合中的内容,这个数组是Object类型的:

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  1. transient Object[] elementData;  

同时,elementData的访问级别为包内私有,是为了使内部类能够访问到其中的元素。

使用int类型的size表示数组中元素的个数:

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  1. private int size;  

为了对应不同的构造函数,ArrayList使用了不同的数组:

[java]  view plain  copy
  1. /** 
  2.  * Shared empty array instance used for empty instances. 
  3.  */  
  4. private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};  
  5.   
  6. /** 
  7.  * Shared empty array instance used for default sized empty instances. We 
  8.  * distinguish this from EMPTY_ELEMENTDATA to know how much to inflate when 
  9.  * first element is added. 
  10.  */  
  11. private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};  

代码中有个常量,表示数组的默认容量,大小为10:

[java]  view plain  copy
  1. /** 
  2.  * Default initial capacity. 
  3.  */  
  4. private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;  
(1)构造函数

常量EMPTY_ELEMENTDATA和DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA是为了初始化elementData的。如果为无参构造函数,使用DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;如果为含参构造函数,使用EMPTY_ELEMENTDATA:

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  1. public ArrayList(int initialCapacity) {  
  2.     if (initialCapacity > 0) {  
  3.         this.elementData = new Object[initialCapacity];  
  4.     } else if (initialCapacity == 0) {  
  5.         this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;  
  6.     } else {  
  7.         throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+  
  8.                                            initialCapacity);  
  9.     }  
  10. }  
  11.   
  12. /** 
  13.  * Constructs an empty list with an initial capacity of ten. 
  14.  */  
  15. public ArrayList() {  
  16.     this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;  
  17. }  

使用上述构造函数,elementData中没有元素,size为0,不过elementData的长度有可能不同。

ArrayList还提供了使用集合构造的构造函数:

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  1. public ArrayList(Collection<? extends E> c) {  
  2.     elementData = c.toArray();  
  3.     if ((size = elementData.length) != 0) {  
  4.         // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)  
  5.         if (elementData.getClass() != Object[].class)  
  6.             elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);  
  7.     } else {  
  8.         // replace with empty array.  
  9.         this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;  
  10.     }  
  11. }  
函数首先将集合c转化为数组,然后检查转化的类型,如果不是Object[]类型,使用Arrays类中的copyOf方法进行复制;同时,如果c中没有元素,使用EMPTY_ELEMENTDATA初始化。

(2)trimToSize()

由于表示集合中元素个数的size和表示集合容量的elementData.length可能不同,在不太需要增加集合元素的情况下容量有浪费,可以使用trimToSize方法减小elementData的大小。代码如下:

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  1. public void trimToSize() {  
  2.     modCount++;  
  3.     if (size < elementData.length) {  
  4.         elementData = (size == 0)  
  5.           ? EMPTY_ELEMENTDATA  
  6.           : Arrays.copyOf(elementData, size);  
  7.     }  
  8. }  
代码中有个modCount,这个是继承自AbstractList中的字段,表示数组修改的次数,数组每修改一次,就要增加modCount。可以看到,ArrayList的底层使用Object[]类型的数组存储内容,使用Arrays类来处理数组中的内容。

(3)ensureCapacity(int minCapacity)

这个方法可以用来保证数组能够包含给定参数个元素,也就是说如果需要的话可以扩大数组的容量。主要代码:

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  1. public void ensureCapacity(int minCapacity) {  
  2.     int minExpand = (elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)  
  3.         // any size if not default element table  
  4.         ? 0  
  5.         // larger than default for default empty table. It's already  
  6.         // supposed to be at default size.  
  7.         : DEFAULT_CAPACITY;  
  8.   
  9.     if (minCapacity > minExpand) {  
  10.         ensureExplicitCapacity(minCapacity);  
  11.     }  
  12. }  
首先检查是不是DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA,如果是的话,说明长度为10,如果不是,将minExpand设为0,比较与minCapacity的大小,然后调用私有函数进行操作:

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  1. private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {  
  2.     if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {  
  3.         minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);  
  4.     }  
  5.   
  6.     ensureExplicitCapacity(minCapacity);  
  7. }  
首先minCapacity和默认大小(10)比较,如果需要扩大容量,继续调用:

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  1. private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {  
  2.     modCount++;  
  3.   
  4.     // overflow-conscious code  
  5.     if (minCapacity - elementData.length > 0)  
  6.         grow(minCapacity);  
  7. }  
然后比较minCapacity和当前长度的大小,如果需要扩容,调用grow方法:

[java]  view plain  copy
  1. private void grow(int minCapacity) {  
  2.     // overflow-conscious code  
  3.     int oldCapacity = elementData.length;  
  4.     int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);  
  5.     if (newCapacity - minCapacity < 0)  
  6.         newCapacity = minCapacity;  
  7.     if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)  
  8.         newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);  
  9.     // minCapacity is usually close to size, so this is a win:  
  10.     elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);  
  11. }  
这里,首先增加容量为原来的1.5倍,如果还不够,就用给定的容量minCapacity。同时,ArrayList设置了数组的最大长度MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8,如果没超出,使用Arrays类进行复制,不够的元素使用null。如果超出最大长度,调用函数检查是否溢出:

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  1. private static int hugeCapacity(int minCapacity) {  
  2.     if (minCapacity < 0// overflow  
  3.         throw new OutOfMemoryError();  
  4.     return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?  
  5.         Integer.MAX_VALUE :  
  6.         MAX_ARRAY_SIZE;  
  7. }  
如果没有溢出就得到合适的minCapacity值,然后复制。

(4)size()

函数返回集合中元素的数量:

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  1. public int size() {  
  2.     return size;  
  3. }  
(5)isEmpty()

函数返回集合是否为空,检查size是否为0,即使容量不为0(没有元素):

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  1. public boolean isEmpty() {  
  2.     return size == 0;  
  3. }  
(6)contains(Object o)

检查集合中是否包含给定的元素:

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  1. public boolean contains(Object o) {  
  2.     return indexOf(o) >= 0;  
  3. }  

使用indexOf方法,如果返回值非负,表示集合中函数这个元素。

(7)indexOf(Object o)

函数返回集合中给定元素的第一次出现的位置,如果没有就返回-1:

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  1. public int indexOf(Object o) {  
  2.     if (o == null) {  
  3.         for (int i = 0; i < size; i++)  
  4.             if (elementData[i]==null)  
  5.                 return i;  
  6.     } else {  
  7.         for (int i = 0; i < size; i++)  
  8.             if (o.equals(elementData[i]))  
  9.                 return i;  
  10.     }  
  11.     return -1;  
  12. }  

首先检查o是否为null,如果为null,就返回集合中第一个null元素的位置;如果不为null,就是用equals函数进行相等性检查。之所以这样,是因为如果直接对null调用equals方法,会抛出空指针异常。同时也不能循环遍历数组中的元素调用equals方法检查是否相等,因为ArrayList集合中允许有null元素的存在。

(8)lastIndexOf(Object o)

函数返回给定元素最后一次出现的位置,如果没有就返回-1:

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  1. public int lastIndexOf(Object o) {  
  2.     if (o == null) {  
  3.         for (int i = size-1; i >= 0; i--)  
  4.             if (elementData[i]==null)  
  5.                 return i;  
  6.     } else {  
  7.         for (int i = size-1; i >= 0; i--)  
  8.             if (o.equals(elementData[i]))  
  9.                 return i;  
  10.     }  
  11.     return -1;  
  12. }  

原理和indexOf一样,不过对集合元素遍历的时候是倒序遍历的。

(9)clone()

复制集合:

[java]  view plain  copy
  1. public Object clone() {  
  2.     try {  
  3.         ArrayList<?> v = (ArrayList<?>) super.clone();  
  4.         v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);  
  5.         v.modCount = 0;  
  6.         return v;  
  7.     } catch (CloneNotSupportedException e) {  
  8.         // this shouldn't happen, since we are Cloneable  
  9.         throw new InternalError(e);  
  10.     }  
  11. }  

本质上就是使用Arrays类进行元素的复制。

(10)toArray()

将集合转化为数组:

[java]  view plain  copy
  1. public Object[] toArray() {  
  2.     return Arrays.copyOf(elementData, size);  
  3. }  
也是使用Arrays的复制操作。

(11)toArray(T[] a)

转化为数组,和上一个不同的是,上一个返回的数组是Object[]类型的,这个函数返回的数组类型根据参数确定:

[java]  view plain  copy
  1. @SuppressWarnings("unchecked")  
  2. public <T> T[] toArray(T[] a) {  
  3.     if (a.length < size)  
  4.         // Make a new array of a's runtime type, but my contents:  
  5.         return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass());  
  6.     System.arraycopy(elementData, 0, a, 0, size);  
  7.     if (a.length > size)  
  8.         a[size] = null;  
  9.     return a;  
  10. }  
(12)get(int index)

返回指定位置的元素,这里用到了一个私有函数:

[java]  view plain  copy
  1. @SuppressWarnings("unchecked")  
  2. E elementData(int index) {  
  3.     return (E) elementData[index];  
  4. }  
函数返回数组中指定位置的元素,不过这个函数没有进行下标范围检查,这个工作由另一个私有函数完成:

[java]  view plain  copy
  1. private void rangeCheck(int index) {  
  2.     if (index >= size)  
  3.         throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));  
  4. }  
对于get方法来说,首先调用rangeCheck检查下标,然后调用elementData返回元素:

[java]  view plain  copy
  1. public E get(int index) {  
  2.     rangeCheck(index);  
  3.   
  4.   
  5.     return elementData(index);  
  6. }  
(13)set(int index,E element)

设置给定位置的元素为给定的元素,然后返回原来的元素:

[java]  view plain  copy
  1. public E set(int index, E element) {  
  2.     rangeCheck(index);  
  3.   
  4.   
  5.     E oldValue = elementData(index);  
  6.     elementData[index] = element;  
  7.     return oldValue;  
  8. }  
同样,函数也先进行下标检查。

(14)add(E e)

添加元素:

[java]  view plain  copy
  1. public boolean add(E e) {  
  2.     ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!  
  3.     elementData[size++] = e;  
  4.     return true;  
  5. }  
首先确保有足够的容量,然后再末尾添加元素。

(15)add(int index,E element)

在指定位置添加元素:

[java]  view plain  copy
  1. public void add(int index, E element) {  
  2.     rangeCheckForAdd(index);  
  3.   
  4.     ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!  
  5.     System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,  
  6.                      size - index);  
  7.     elementData[index] = element;  
  8.     size++;  
  9. }  
(16)remove(int index)

删除指定位置的元素,然后返回这个元素:

[java]  view plain  copy
  1. public E remove(int index) {  
  2.     rangeCheck(index);  
  3.   
  4.     modCount++;  
  5.     E oldValue = elementData(index);  
  6.   
  7.     int numMoved = size - index - 1;  
  8.     if (numMoved > 0)  
  9.         System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,  
  10.                          numMoved);  
  11.     elementData[--size] = null// clear to let GC do its work  
  12.   
  13.     return oldValue;  
  14. }  
(17)remove(Object o)

删除指定的元素,如果集合中有,则删除第一次出现的并返回true;如果没有,集合不变并返回false:

[java]  view plain  copy
  1. public boolean remove(Object o) {  
  2.     if (o == null) {  
  3.         for (int index = 0; index < size; index++)  
  4.             if (elementData[index] == null) {  
  5.                 fastRemove(index);  
  6.                 return true;  
  7.             }  
  8.     } else {  
  9.         for (int index = 0; index < size; index++)  
  10.             if (o.equals(elementData[index])) {  
  11.                 fastRemove(index);  
  12.                 return true;  
  13.             }  
  14.     }  
  15.     return false;  
  16. }  
在找到集合中的元素后,函数调用私有方法fastRemove来删除这个元素:

[java]  view plain  copy
  1. private void fastRemove(int index) {  
  2.     modCount++;  
  3.     int numMoved = size - index - 1;  
  4.     if (numMoved > 0)  
  5.         System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,  
  6.                          numMoved);  
  7.     elementData[--size] = null// clear to let GC do its work  
  8. }  
(18)clear()

清空集合,将所有元素设为null,并把size设为0:

[java]  view plain  copy
  1. public void clear() {  
  2.     modCount++;  
  3.   
  4.     // clear to let GC do its work  
  5.     for (int i = 0; i < size; i++)  
  6.         elementData[i] = null;  
  7.   
  8.     size = 0;  
  9. }  
(19)addAll(Collection<? extends E> c)

添加给定集合中的所有元素到集合中,从末尾开始添加:

[java]  view plain  copy
  1. public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {  
  2.     Object[] a = c.toArray();  
  3.     int numNew = a.length;  
  4.     ensureCapacityInternal(size + numNew);  // Increments modCount  
  5.     System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);  
  6.     size += numNew;  
  7.     return numNew != 0;  
  8. }  
首先把c集合转为数组,然后确保容量,最后复制。

(20)add(int index,Collection<? extends E> c)

在指定位置开始添加指定集合中的所有元素:

[java]  view plain  copy
  1. public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {  
  2.     rangeCheckForAdd(index);  
  3.   
  4.     Object[] a = c.toArray();  
  5.     int numNew = a.length;  
  6.     ensureCapacityInternal(size + numNew);  // Increments modCount  
  7.   
  8.     int numMoved = size - index;  
  9.     if (numMoved > 0)  
  10.         System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew,  
  11.                          numMoved);  
  12.   
  13.     System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);  
  14.     size += numNew;  
  15.     return numNew != 0;  
  16. }  
原理和上一个一样,不同的是复制的位置。

(21)removeRange(int fromIndex,int toIndex)

删除给定范围内的所有元素:

[java]  view plain  copy
  1. protected void removeRange(int fromIndex, int toIndex) {  
  2.     modCount++;  
  3.     int numMoved = size - toIndex;  
  4.     System.arraycopy(elementData, toIndex, elementData, fromIndex,  
  5.                      numMoved);  
  6.   
  7.     // clear to let GC do its work  
  8.     int newSize = size - (toIndex-fromIndex);  
  9.     for (int i = newSize; i < size; i++) {  
  10.         elementData[i] = null;  
  11.     }  
  12.     size = newSize;  
  13. }  
(22)removeAll和retainAll

这两个函数都给一个集合参数c,removeAll删除集合中所有在集合c中出现过的元素;retainAll保留所有在集合c中出现的元素。两个函数都调用私有函数batchRemove():

[java]  view plain  copy
  1. public boolean removeAll(Collection<?> c) {  
  2.     Objects.requireNonNull(c);  
  3.     return batchRemove(c, false);  
  4. }  
  5.   
  6. public boolean retainAll(Collection<?> c) {  
  7.     Objects.requireNonNull(c);  
  8.     return batchRemove(c, true);  
  9. }  
batchRemove函数如下:

[java]  view plain  copy
  1. private boolean batchRemove(Collection<?> c, boolean complement) {  
  2.     final Object[] elementData = this.elementData;  
  3.     int r = 0, w = 0;  
  4.     boolean modified = false;  
  5.     try {  
  6.         for (; r < size; r++)  
  7.             if (c.contains(elementData[r]) == complement)  
  8.                 elementData[w++] = elementData[r];  
  9.     } finally {  
  10.         // Preserve behavioral compatibility with AbstractCollection,  
  11.         // even if c.contains() throws.  
  12.         if (r != size) {  
  13.             System.arraycopy(elementData, r,  
  14.                              elementData, w,  
  15.                              size - r);  
  16.             w += size - r;  
  17.         }  
  18.         if (w != size) {  
  19.             // clear to let GC do its work  
  20.             for (int i = w; i < size; i++)  
  21.                 elementData[i] = null;  
  22.             modCount += size - w;  
  23.             size = w;  
  24.             modified = true;  
  25.         }  
  26.     }  
  27.     return modified;  
  28. }  
函数对集合中的元素进行遍历,首先复制集合中的元素,然后检查是否符合complement的要求进行保留。在finally中,复制元素到集合中。并修改相应的size。

(23)ListIterator<E> listIterator()和ListIterator<E> listIterator(int index)

这两个函数返回在集合上的一个迭代器,不同是第一个是关于所有元素的,第二个是从指定位置开始的。这里ArrayList使用了内部类ListItr,


[java]  view plain  copy
  1. public ListIterator<E> listIterator(int index) {  
  2.     if (index < 0 || index > size)  
  3.         throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index);  
  4.     return new ListItr(index);  
  5. }  
  6.   
  7. public ListIterator<E> listIterator() {  
  8.     return new ListItr(0);  
  9. }  

(24)Iterator<E> iterator()

也返回一个迭代器,使用了内部类Itr,继承于ListItr:

[java]  view plain  copy
  1. public Iterator<E> iterator() {  
  2.     return new Itr();  
  3. }  
(25)List<E> subList(int fromIndex, int toIndex)

返回一个从fromIndex到toIndex的子集合:

[java]  view plain  copy
  1. public List<E> subList(int fromIndex, int toIndex) {  
  2.     subListRangeCheck(fromIndex, toIndex, size);  
  3.     return new SubList(this0, fromIndex, toIndex);  
  4. }  
使用了内部类SubList。

3、例子


三种遍历方式:

[java]  view plain  copy
  1. <span style="white-space:pre">    </span>Integer[] nums={2,1,3,6,0,4,5,8,7,9};  
  2.     List<Integer> list=new ArrayList<>();  
  3. <span style="white-space:pre">    </span>list=Arrays.asList(nums);  
  4.     //使用RandomAccess方式:  
  5.     System.out.println("#1:");  
  6.     for(int i=0;i<list.size();i++)  
  7.     {  
  8.         System.out.print((int)list.get(i));  
  9.     }  
  10.     //使用foreach:  
  11.     System.out.println("\n#2:");  
  12.     for (Integer integer : list) {  
  13.         System.out.print(integer);  
  14.     }  
  15.     //使用Iterator:  
  16.     System.out.println("\n#3:");  
  17.     Iterator<Integer> it=list.iterator();  
  18.     while(it.hasNext())  
  19.     {  
  20.         System.out.print((int)it.next());  
  21.     }  
结果:

#1:
2136045879
#2:
2136045879
#3:
2136045879



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