???? 文章简介:集合 ???? 创作目的:ArrayList ☀️ 今日天气:天气很好 ???? 每日一言:“书上说,天下没有不散的宴席,书上还说了,人生何处不相逢”
ArrayList
的底层是数组队列,相当于动态数组。与 Java 中的数组相比,它的容量能动态增长。在添加大量元素前,应用程序可以使用ensureCapacity
操作来增加 ArrayList
实例的容量。这可以减少递增式再分配的数量。
ArrayList
继承于 AbstractList
,实现了 List
, RandomAccess
, Cloneable
, java.io.Serializable
这些接口。
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable{
}
RandomAccess
是一个标志接口,表明实现这个这个接口的 List 集合是支持快速随机访问的。在 ArrayList
中,我们即可以通过元素的序号快速获取元素对象,这就是快速随机访问。ArrayList
实现了 Cloneable
接口 ,即覆盖了函数clone()
,能被克隆。ArrayList
实现了 java.io.Serializable
接口,这意味着ArrayList
支持序列化,能通过序列化去传输。ArrayList
是 List
的主要实现类,底层使用 Object[ ]
存储,适用于频繁的查找工作,线程不安全 ;Vector
是 List
的古老实现类,底层使用 Object[ ]
存储,线程安全的。ArrayList
和 LinkedList
都是不同步的,也就是不保证线程安全;Arraylist
底层使用的是 Object
数组;LinkedList
底层使用的是 双向链表 数据结构(JDK1.6 之前为循环链表,JDK1.7 取消了循环。注意双向链表和双向循环链表的区别,下面有介绍到!)ArrayList
采用数组存储,所以插入和删除元素的时间复杂度受元素位置的影响。 比如:执行add(E e)
方法的时候, ArrayList
会默认在将指定的元素追加到此列表的末尾,这种情况时间复杂度就是 O(1)。但是如果要在指定位置 i 插入和删除元素的话(add(int index, E element)
)时间复杂度就为 O(n-i)。因为在进行上述操作的时候集合中第 i 和第 i 个元素之后的(n-i)个元素都要执行向后位/向前移一位的操作。 ② LinkedList
采用链表存储,所以对于add(E e)
方法的插入,删除元素时间复杂度不受元素位置的影响,近似 O(1),如果是要在指定位置i
插入和删除元素的话((add(int index, E element)
) 时间复杂度近似为o(n))
因为需要先移动到指定位置再插入。LinkedList
不支持高效的随机元素访问,而 ArrayList
支持。快速随机访问就是通过元素的序号快速获取元素对象(对应于get(int index)
方法)。ArrayList
的空 间浪费主要体现在在 list 列表的结尾会预留一定的容量空间,而 LinkedList
的空间花费则体现在它的每一个元素都需要消耗比 ArrayList
更多的空间(因为要存放直接后继和直接前驱以及数据)。(JDK8)ArrayList 有三种方式来初始化,构造方法源码如下:
/**
* 默认初始容量大小
*/
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/**
*默认构造函数,使用初始容量10构造一个空列表(无参数构造)
*/
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
/**
* 带初始容量参数的构造函数。(用户自己指定容量)
*/
public ArrayList(int initialCapacity) {
if (initialCapacity > 0) {//初始容量大于0
//创建initialCapacity大小的数组
this.elementData = new Object[initialCapacity];
} else if (initialCapacity == 0) {//初始容量等于0
//创建空数组
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
} else {//初始容量小于0,抛出异常
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
initialCapacity);
}
}
/**
*构造包含指定collection元素的列表,这些元素利用该集合的迭代器按顺序返回
*如果指定的集合为null,throws NullPointerException。
*/
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
elementData = c.toArray();
if ((size = elementData.length) != 0) {
// c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
if (elementData.getClass() != Object[].class)
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
} else {
// replace with empty array.
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}
}
细心的同学一定会发现 :以无参数构造方法创建 ArrayList
时,实际上初始化赋值的是一个空数组。当真正对数组进行添加元素操作时,才真正分配容量。即向数组中添加第一个元素时,数组容量扩为 10。 下面在我们分析 ArrayList 扩容时会讲到这一点内容!
补充:JDK6 new 无参构造的
ArrayList
对象时,直接创建了长度是 10 的Object[]
数组 elementData 。
这里以无参构造函数创建的 ArrayList 为例分析
add
方法 /**
* 将指定的元素追加到此列表的末尾。
*/
public boolean add(E e) {
//添加元素之前,先调用ensureCapacityInternal方法
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
//这里看到ArrayList添加元素的实质就相当于为数组赋值
elementData[size++] = e;
return true;
}
注意 :JDK11 移除了
ensureCapacityInternal()
和ensureExplicitCapacity()
方法
ensureCapacityInternal()
方法(JDK7)可以看到 add
方法 首先调用了ensureCapacityInternal(size + 1)
//得到最小扩容量
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
// 获取默认的容量和传入参数的较大值
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
当 要 add 进第 1 个元素时,minCapacity 为 1,在 Math.max()方法比较后,minCapacity 为 10。
此处和后续 JDK8 代码格式化略有不同,核心代码基本一样。
ensureExplicitCapacity()
方法如果调用 ensureCapacityInternal()
方法就一定会进入(执行)这个方法,下面我们来研究一下这个方法的源码!
//判断是否需要扩容
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
modCount++;
// overflow-conscious code
if (minCapacity - elementData.length > 0)
//调用grow方法进行扩容,调用此方法代表已经开始扩容了
grow(minCapacity);
}
我们来仔细分析一下:
ensureCapacityInternal()
方法 ,所以 minCapacity 此时为 10。此时,minCapacity - elementData.length > 0
成立,所以会进入 grow(minCapacity)
方法。minCapacity - elementData.length > 0
不成立,所以不会进入 (执行)grow(minCapacity)
方法。直到添加第 11 个元素,minCapacity(为 11)比 elementData.length(为 10)要大。进入 grow 方法进行扩容。
grow()
方法 /**
* 要分配的最大数组大小
*/
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
/**
* ArrayList扩容的核心方法。
*/
private void grow(int minCapacity) {
// oldCapacity为旧容量,newCapacity为新容量
int oldCapacity = elementData.length;
//将oldCapacity 右移一位,其效果相当于oldCapacity /2,
//我们知道位运算的速度远远快于整除运算,整句运算式的结果就是将新容量更新为旧容量的1.5倍,
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
//然后检查新容量是否大于最小需要容量,若还是小于最小需要容量,那么就把最小需要容量当作数组的新容量,
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
// 如果新容量大于 MAX_ARRAY_SIZE,进入(执行) `hugeCapacity()` 方法来比较 minCapacity 和 MAX_ARRAY_SIZE,
//如果minCapacity大于最大容量,则新容量则为`Integer.MAX_VALUE`,否则,新容量大小则为 MAX_ARRAY_SIZE 即为 `Integer.MAX_VALUE - 8`。
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);
}
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1),所以 ArrayList 每次扩容之后容量都会变为原来的 1.5 倍左右(oldCapacity 为偶数就是 1.5 倍,否则是 1.5 倍左右)! 奇偶不同,比如 :10+10/2 = 15, 33+33/2=49。如果是奇数的话会丢掉小数.
">>"(移位运算符):>>1 右移一位相当于除 2,右移 n 位相当于除以 2 的 n 次方。这里 oldCapacity 明显右移了 1 位所以相当于 oldCapacity /2。对于大数据的 2 进制运算,位移运算符比那些普通运算符的运算要快很多,因为程序仅仅移动一下而已,不去计算,这样提高了效率,节省了资源
我们再来通过例子探究一下grow()
方法 :
hugeCapacity
方法。数组容量为 10,add 方法中 return true,size 增为 1。这里补充一点比较重要,但是容易被忽视掉的知识点:
length
属性是针对数组说的,比如说你声明了一个数组,想知道这个数组的长度则用到了 length 这个属性.length()
方法是针对字符串说的,如果想看这个字符串的长度则用到 length()
这个方法.size()
方法是针对泛型集合说的,如果想看这个泛型有多少个元素,就调用此方法来查看!hugeCapacity()
方法。从上面 grow()
方法源码我们知道: 如果新容量大于 MAX_ARRAY_SIZE,进入(执行) hugeCapacity()
方法来比较 minCapacity 和 MAX_ARRAY_SIZE,如果 minCapacity 大于最大容量,则新容量则为Integer.MAX_VALUE
,否则,新容量大小则为 MAX_ARRAY_SIZE 即为 Integer.MAX_VALUE - 8
。
private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
if (minCapacity < 0) // overflow
throw new OutOfMemoryError();
//对minCapacity和MAX_ARRAY_SIZE进行比较
//若minCapacity大,将Integer.MAX_VALUE作为新数组的大小
//若MAX_ARRAY_SIZE大,将MAX_ARRAY_SIZE作为新数组的大小
//MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
Integer.MAX_VALUE :
MAX_ARRAY_SIZE;
}
System.arraycopy()
和 Arrays.copyOf()
方法阅读源码的话,我们就会发现 ArrayList 中大量调用了这两个方法。比如:我们上面讲的扩容操作以及add(int index, E element)
、toArray()
等方法中都用到了该方法!
System.arraycopy()
方法源码:
// 我们发现 arraycopy 是一个 native 方法,接下来我们解释一下各个参数的具体意义
/**
* 复制数组
* @param src 源数组
* @param srcPos 源数组中的起始位置
* @param dest 目标数组
* @param destPos 目标数组中的起始位置
* @param length 要复制的数组元素的数量
*/
public static native void arraycopy(Object src, int srcPos,
Object dest, int destPos,
int length);
场景:
/**
* 在此列表中的指定位置插入指定的元素。
*先调用 rangeCheckForAdd 对index进行界限检查;然后调用 ensureCapacityInternal 方法保证capacity足够大;
*再将从index开始之后的所有成员后移一个位置;将element插入index位置;最后size加1。
*/
public void add(int index, E element) {
rangeCheckForAdd(index);
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
//arraycopy()方法实现数组自己复制自己
//elementData:源数组;index:源数组中的起始位置;elementData:目标数组;index + 1:目标数组中的起始位置; size - index:要复制的数组元素的数量;
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index);
elementData[index] = element;
size++;
}
我们写一个简单的方法测试以下:
public class ArraycopyTest {
public static void main(String[] args) {
// TODO Auto-generated method stub
int[] a = new int[10];
a[0] = 0;
a[1] = 1;
a[2] = 2;
a[3] = 3;
System.arraycopy(a, 2, a, 3, 3);
a[2]=99;
for (int i = 0; i < a.length; i++) {
System.out.print(a[i] + " ");
}
}
}
结果:
0 1 99 2 3 0 0 0 0 0
Arrays.copyOf()
方法源码:
public static int[] copyOf(int[] original, int newLength) {
// 申请一个新的数组
int[] copy = new int[newLength];
// 调用System.arraycopy,将源数组中的数据进行拷贝,并返回新的数组
System.arraycopy(original, 0, copy, 0,
Math.min(original.length, newLength));
return copy;
}
场景:
/**
以正确的顺序返回一个包含此列表中所有元素的数组(从第一个到最后一个元素); 返回的数组的运行时类型是指定数组的运行时类型。
*/
public Object[] toArray() {
//elementData:要复制的数组;size:要复制的长度
return Arrays.copyOf(elementData, size);
}
复制代码
个人觉得使用 Arrays.copyOf()
方法主要是为了给原有数组扩容,测试代码如下:
public class ArrayscopyOfTest {
public static void main(String[] args) {
int[] a = new int[3];
a[0] = 0;
a[1] = 1;
a[2] = 2;
int[] b = Arrays.copyOf(a, 10);
System.out.println("b.length"+b.length);
}
}
结果:
10
联系:
看两者源代码可以发现 copyOf()
内部实际调用了 System.arraycopy()
方法
区别:
arraycopy()
需要目标数组,将原数组拷贝到你自己定义的数组里或者原数组,而且可以选择拷贝的起点和长度以及放入新数组中的位置 copyOf()
是系统自动在内部新建一个数组,并返回该数组。
ensureCapacity
方法ArrayList
源码中有一个 ensureCapacity
方法不知道大家注意到没有,这个方法 ArrayList
内部没有被调用过,所以很显然是提供给用户调用的,那么这个方法有什么作用呢?
/**
如有必要,增加此 ArrayList 实例的容量,以确保它至少可以容纳由minimum capacity参数指定的元素数。
*
* @param minCapacity 所需的最小容量
*/
public void ensureCapacity(int minCapacity) {
int minExpand = (elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)
// any size if not default element table
? 0
// larger than default for default empty table. It's already
// supposed to be at default size.
: DEFAULT_CAPACITY;
if (minCapacity > minExpand) {
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
}
理论上来说,最好在向 ArrayList
添加大量元素之前用 ensureCapacity
方法,以减少增量重新分配的次数
我们通过下面的代码实际测试以下这个方法的效果:
public class EnsureCapacityTest {
public static void main(String[] args) {
ArrayList<Object> list = new ArrayList<Object>();
final int N = 10000000;
long startTime = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < N; i++) {
list.add(i);
}
long endTime = System.currentTimeMillis();
System.out.println("使用ensureCapacity方法前:"+(endTime - startTime));
}
}
运行结果:
使用ensureCapacity方法前:2158
复制代码
public class EnsureCapacityTest {
public static void main(String[] args) {
ArrayList<Object> list = new ArrayList<Object>();
final int N = 10000000;
long startTime1 = System.currentTimeMillis();
list.ensureCapacity(N);
for (int i = 0; i < N; i++) {
list.add(i);
}
long endTime1 = System.currentTimeMillis();
System.out.println("使用ensureCapacity方法后:"+(endTime1 - startTime1));
}
}
运行结果:
使用ensureCapacity方法后:1773
通过运行结果,我们可以看出向 ArrayList
添加大量元素之前使用ensureCapacity
方法可以提升性能。不过,这个性能差距几乎可以忽略不计。而且,实际项目根本也不可能往 ArrayList
里面添加这么多元素。