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Java集合深度解析之ArrayList

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转自:兰亭风雨

ArrayList简介

ArrayList是基于数组实现的,是一个动态数组,其容量能自动增长,类似于C语言中的动态申请内存,动态增长内存。

ArrayList不是线程安全的,只能用在单线程环境下,多线程环境下可以考虑用Collections.synchronizedList(List l)函数返回一个线程安全的ArrayList类,也可以使用concurrent并发包下的CopyOnWriteArrayList类。

ArrayList实现了Serializable接口,因此它支持序列化,能够通过序列化传输,实现了RandomAccess接口,支持快速随机访问,实际上就是通过下标序号进行快速访问,实现了Cloneable接口,能被克隆。

ArrayList源码剖析

ArrayList的源码如下(加入了比较详细的注释):

package java.util;  public class ArrayListextends AbstractList         implements List, RandomAccess,             Cloneable, java.io.Serializable {      // 序列版本号      private static final             long serialVersionUID = 8683452581122892189L;      // ArrayList基于该数组实现,用该数组保存数据     private transient Object[] elementData;      // ArrayList中实际数据的数量      private int size;      // ArrayList带容量大小的构造函数。      public ArrayList(int initialCapacity) {          super();          if (initialCapacity < 0)              throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+                                                 initialCapacity);          // 新建一个数组          this.elementData = new Object[initialCapacity];      }      // ArrayList无参构造函数。默认容量是10。      public ArrayList() {          this(10);      }      // 创建一个包含collection的ArrayList      public ArrayList(Collection c) {          elementData = c.toArray();          size = elementData.length;          if (elementData.getClass() != Object[].class)              elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);      }      // 将当前容量值设为实际元素个数      public void trimToSize() {          modCount++;          int oldCapacity = elementData.length;          if (size < oldCapacity) {              elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);          }      }      // 确定ArrarList的容量。      // 若ArrayList的容量不足以容纳当前的全部元素,设置     // 新的容量=“(原始容量x3)/2 + 1”      public void ensureCapacity(int minCapacity) {          // 将“修改统计数”+1,该变量主要是用来实现fail-fast机制的          modCount++;          int oldCapacity = elementData.length;          // 若当前容量不足以容纳当前的元素个数,        // 设置 新的容量=“(原始容量x3)/2 + 1”          if (minCapacity > oldCapacity) {              Object oldData[] = elementData;              int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1;              //如果还不够,则直接将minCapacity设置为当前容量            if (newCapacity < minCapacity)                  newCapacity = minCapacity;              elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);          }      }      // 添加元素e      public boolean add(E e) {          // 确定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的实际大小      public int size() {          return size;      }      // ArrayList是否包含Object(o)      public boolean contains(Object o) {          return indexOf(o) >= 0;      }      //返回ArrayList是否为空      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(从数组末尾向开始查找),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数组      public Object[] toArray() {          return Arrays.copyOf(elementData, size);      }      // 返回ArrayList元素组成的数组    publicT[] toArray(T[] a) {          // 若数组a的大小 < ArrayList的元素个数;          // 则新建一个T[]数组,数组大小是“ArrayList的元素个数”,        // 并将“ArrayList”全部拷贝到新数组中          if (a.length < size)              return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass());          // 若数组a的大小 >= ArrayList的元素个数;          // 则将ArrayList的全部元素都拷贝到数组a中。          System.arraycopy(elementData, 0, a, 0, size);          if (a.length > size)              a[size] = null;          return a;      }      // 获取index位置的元素值      public E get(int index) {          RangeCheck(index);          return (E) elementData[index];      }      // 设置index位置的值为element      public E set(int index, E element) {          RangeCheck(index);          E oldValue = (E) elementData[index];          elementData[index] = element;          return oldValue;      }      // 将e添加到ArrayList中      public boolean add(E e) {          ensureCapacity(size + 1);  // Increments modCount!!          elementData[size++] = e;          return true;      }      // 将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++;      }      // 删除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 work          return oldValue;      }      // 删除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;      }      // 快速删除第index个元素      private void fastRemove(int index) {          modCount++;          int numMoved = size - index - 1;          // 从"index+1"开始,用后面的元素替换前面的元素。          if (numMoved > 0)              System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,                               numMoved);          // 将最后一个元素设为null          elementData[--size] = null; // Let gc do its work      }      // 删除元素      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”,则删除,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,将全部的元素设为null      public void clear() {          modCount++;          for (int i = 0; i < size; i++)              elementData[i] = null;          size = 0;      }      // 将集合c追加到ArrayList中      public boolean addAll(Collection c) {          Object[] a = c.toArray();          int numNew = a.length;          ensureCapacity(size + numNew);  // Increments modCount          System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);          size += numNew;          return numNew != 0;      }      // 从index位置开始,将集合c添加到ArrayList      public boolean addAll(int index, Collection 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 modCount          int 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;      }      // 删除fromIndex到toIndex之间的全部元素。      protected void removeRange(int fromIndex, int toIndex) {      modCount++;      int numMoved = size - toIndex;          System.arraycopy(elementData, toIndex, elementData, fromIndex,                           numMoved);      // Let gc do its work      int 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);      }      // 克隆函数      public Object clone() {          try {              ArrayListv = (ArrayList) super.clone();              // 将当前ArrayList的全部元素拷贝到v中              v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);              v.modCount = 0;              return v;          } catch (CloneNotSupportedException e) {              // this shouldn't happen, since we are Cloneable              throw new InternalError();          }      }      // java.io.Serializable的写入函数      // 将ArrayList的“容量,所有的元素值”都写入到输出流中      private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)          throws java.io.IOException{      // Write out element count, and any hidden stuff      int expectedModCount = modCount;      s.defaultWriteObject();          // 写入“数组的容量”          s.writeInt(elementData.length);      // 写入“数组的每一个元素”      for (int i=0; i<size; i++)              s.writeObject(elementData[i]);      if (modCount != expectedModCount) {              throw new ConcurrentModificationException();          }      }      // java.io.Serializable的读取函数:根据写入方式读出      // 先将ArrayList的“容量”读出,然后将“所有的元素值”读出      private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)          throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {          // Read in size, and any hidden stuff          s.defaultReadObject();          // 从输入流中读取ArrayList的“容量”          int arrayLength = s.readInt();          Object[] a = elementData = new Object[arrayLength];          // 从输入流中将“所有的元素值”读出          for (int i=0; i<size; i++)              a[i] = s.readObject();      }  }

几点总结

关于ArrayList的源码,给出几点比较重要的总结:

1. 注意其三个不同的构造方法。无参构造方法构造的ArrayList的容量默认为10,带有Collection参数的构造方法,将Collection转化为数组赋给ArrayList的实现数组elementData。

2. 注意扩充容量的方法ensureCapacity。ArrayList在每次增加元素(可能是1个,也可能是一组)时,都要调用该方法来确保足够的容量。当容量不足以容纳当前的元素个数时,就设置新的容量为旧的容量的1.5倍加1,如果设置后的新容量还不够,则直接新容量设置为传入的参数(也就是所需的容量),而后用Arrays.copyof()方法将元素拷贝到新的数组(详见下面的第3点)。

从中可以看出,当容量不够时,每次增加元素,都要将原来的元素拷贝到一个新的数组中,非常之耗时,也因此建议在事先能确定元素数量的情况下,才使用ArrayList,否则建议使用LinkedList。

3. ArrayList的实现中大量地调用了Arrays.copyof()和System.arraycopy()方法。我们有必要对这两个方法的实现做下深入的了解。

  • Arrays.copyof() 方法:它有很多个重载的方法,但实现思路都是一样的,我们来看泛型版本的源码:
public staticT[] copyOf(T[] original, int newLength) {        return (T[]) copyOf(original, newLength, original.getClass());}

很明显调用了另一个copyof方法,该方法有三个参数,最后一个参数指明要转 换的数据的类型,其源码如下:

public staticT[] copyOf(U[] original, int newLength, Class newType) {    T[] copy = ((Object)newType == (Object)Object[].class)        ? (T[]) new Object[newLength]        : (T[]) Array.newInstance(newType.getComponentType(), newLength);    System.arraycopy(original, 0, copy, 0,                         Math.min(original.length, newLength));    return copy;}

这里可以很明显地看出,该方法实际上是在其内部又创建了一个长度为 newlength的数组,调用System.arraycopy()方法,将原来数组中的元素复制到了新的数组中。

  • System.arraycopy() 方法:该方法被标记了native,调用了系统的C/C++代码,在JDK中是看不到的,但在openJDK中可以看到其源码。该函数实际上最终调用了C语言的memmove()函数,因此它可以保证同一个数组内元素的正确复制和移动,比一般的复制方法的实现效率要高很多,很适合用来批量处理数组。Java强烈推荐在复制大量数组元素时用该方法,以取得更高的效率。

4. 注意ArrayList的两个转化为静态数组的toArray方法。

  • 第一个,Object[] toArray()方法。该方法有可能会抛出java.lang.ClassCastException异常,如果直接用向下转型的方法,将整个ArrayList集合转变为指定类型的Array数组,便会抛出该异常,而如果转化为Array数组时不向下转型,而是将每个元素向下转型,则不会抛出该异常,显然对数组中的元素一个个进行向下转型,效率不高,且不太方便。
  • 第二个, T[] toArray(T[] a)方法。该方法可以直接将ArrayList转换得到的Array进行整体向下转型(转型其实是在该方法的源码中实现的),且从该方法的源码中可以看出,参数a的大小不足时,内部会调用Arrays.copyOf方法,该方法内部创建一个新的数组返回,因此对该方法的常用形式如下:
public static Integer[] vectorToArray2(ArrayListv) {      Integer[] newText = (Integer[])v.toArray(new Integer[0]);      return newText;  }

5. ArrayList基于数组实现,可以通过下标索引直接查找到指定位置的元素,因此查找效率高,但每次插入或删除元素,就要大量地移动元素,插入删除元素的效率低。

6. 在查找给定元素索引值等的方法中,源码都将该元素的值分为null和不为null两种情况处理,ArrayList中允许元素为null。

原链: http://www.importnew.com/19867.html

本文分享自微信公众号 - 互扯程序(chat_routine),作者:兰亭风雨

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原始发表时间:2018-01-24

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