教你如何高效使用Java中的ArrayList
原创
哈喽，各位小伙伴们，你们好呀，我是喵手。
今天我要给大家分享一些自己日常学习到的一些知识点，并以文字的形式跟大家一起交流，互相学习，一个人虽可以走的更快，但一群人可以走的更远。
我是一名后端开发爱好者，工作日常接触到最多的就是Java语言啦，所以我都尽量抽业余时间把自己所学到所会的，通过文章的形式进行输出，希望以这种方式帮助到更多的初学者或者想入门的小伙伴们，同时也能对自己的技术进行沉淀，加以复盘，查缺补漏。
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如下是Java集合体系架构图，近期几期内容都是围绕该体系进行知识讲解，以便于同学们学习Java集合篇知识能够系统化而不零散。
前言
在Java编程中，集合是非常重要的一个概念。它是一种包装多个对象的数据结构，通常能够动态地增加或删除元素，并能够方便地访问其中的元素。其中，ArrayList就是一个非常常用的集合类，本文将对其进行详细解析。
摘要
本文将从源代码解析、应用场景案例、优缺点分析、类代码方法介绍、测试用例等方面，深入剖析ArrayList的实现原理和使用方法，旨在帮助读者更好地理解和使用该集合类。
ArrayList集合
简介
ArrayList是Java集合框架中的一个动态数组，它继承了AbstractList类并实现了List接口，可以存储任意类型的对象。在添加元素时，ArrayList会自动扩容，因此我们可以直接通过下标访问其中的元素。ArrayList还支持在任意位置的插入和删除操作，因此它可以非常方便地使用。
源代码解析
ArrayList的源代码非常长，这里只对其中一些比较重要的方法进行分析。
add方法
public boolean add(E e) {
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
elementData[size++] = e;
return true;
} 该方法用于向ArrayList中添加元素。首先，它会调用ensureCapacityInternal方法，该方法用于确保ArrayList内部数组的容量足够，如果不够则进行扩容。然后，它会将元素添加到数组的尾部，并返回true表示插入成功。
remove方法
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; // clear to let GC do its work
return oldValue;
}该方法用于从ArrayList中删除指定位置的元素。首先，它会调用rangeCheck方法，该方法用于检查指定的下标是否越界。然后，它会将元素从数组中删除，并返回该元素的值。需要注意的是，删除元素后，ArrayList内部数组的大小会自动减小，并将被删元素所占据的空间赋为null，以便由垃圾回收器回收。
iterator方法
public Iterator<E> iterator() {
return new Itr();
}
private class Itr implements Iterator<E> {
int cursor; // index of next element to return
int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such
int expectedModCount = modCount;
public boolean hasNext() {
return cursor != size;
}
@SuppressWarnings("unchecked")
public E next() {
checkForComodification();
int i = cursor;
if (i >= size)
throw new NoSuchElementException();
Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
if (i >= elementData.length)
throw new ConcurrentModificationException();
cursor = i + 1;
return (E) elementData[lastRet = i];
}
public void remove() {
if (lastRet < 0)
throw new IllegalStateException();
checkForComodification();
try {
ArrayList.this.remove(lastRet);
cursor = lastRet;
lastRet = -1;
expectedModCount = modCount;
} catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
final void checkForComodification() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
} 该方法返回一个Iterator对象，用于遍历ArrayList的元素。这里采用了内部类的形式，定义了一个Itr类，实现了Iterator<E>接口。该类维护了一个游标cursor，用于记录遍历的位置。在next方法中，它会检查是否有其他线程对ArrayList进行修改，如果有则抛出ConcurrentModificationException异常。如果没有，则返回下一个元素并将游标+1。
ensureCapacityInternal方法
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}
private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
return minCapacity;
}
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
modCount++;
// overflow-conscious code
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
} 该方法用于确保ArrayList内部数组的容量足够。首先，它会调用calculateCapacity方法计算需要的最小容量。如果ArrayList内部数组为空，它会将最小容量与默认容量DEFAULT_CAPACITY进行比较，取较大值作为最终容量。否则，它直接返回最小容量。接着，它会调用ensureExplicitCapacity方法，该方法用于在必要时进行扩容。
grow方法
private void grow(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length;
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
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);
} 该方法用于对ArrayList内部数组进行扩容。首先，它会计算出新的容量newCapacity。这里采用了位运算的方法，将原来的容量右移一位，然后与原来的容量进行相加，得到新的容量。接着，它会将新容量与最小容量进行比较，并将较大者作为新容量。如果新容量超过了MAX_ARRAY_SIZE，它会调用hugeCapacity方法进行处理。最后，它会调用Arrays.copyOf方法实现数组的扩容。
其他方法
除了上述几个重要的方法，ArrayList还包括很多其他方法，如get、set、isEmpty、size等等，这里不一一赘述。
如下是部分源码截图，如若想学习更多，同学们可以尽情前往。
应用场景案例
ArrayList在Java编程中的应用非常广泛，下面列举几个常见的应用场景：
- 需要动态地添加或删除元素，且需要支持随机访问的情况下，可以使用ArrayList。
- 需要对一个已知集合进行遍历或查找时，可以将该集合存储在ArrayList中。
- 需要对一个元素集合进行排序时，可以将其存储在ArrayList中，并使用
Collections.sort方法进行排序。
优缺点分析
优点
- 支持动态扩容，因此可以根据需要动态地添加或删除元素。
- 可以支持随机访问，因此可以直接通过下标访问指定位置的元素，效率较高。
- ArrayList是一个线程不安全的类，因此在单线程环境下，其操作效率非常高。
缺点
- 删除元素时，需要将元素所在的位置之后的所有元素向前移动一位，效率较低。
- 插入元素时，可能需要进行数组复制和元素移动的操作，效率也较低。
- ArrayList是一个线程不安全的类，因此在多线程环境下，需要采取额外的措施保证线程安全。
类代码方法介绍
ArrayList类包含了很多方法，其中一些比较重要的方法介绍如下：
构造函数
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
public ArrayList(int initialCapacity) {
if (initialCapacity > 0) {
this.elementData = new Object[initialCapacity];
} else if (initialCapacity == 0) {
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
} else {
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
initialCapacity);
}
}
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;
}
} ArrayList类有三个构造函数，分别是无参构造函数、指定初始容量的构造函数和从其他集合类中构造的构造函数。其中，无参构造函数将elementData数组初始化为DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA，即一个空数组。指定初始容量的构造函数将elementData数组初始化为指定大小的数组。从其他集合类中构造的构造函数将elementData数组初始化为其他集合类的转换结果。
add方法
public boolean add(E e) {
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
elementData[size++] = e;
return true;
}
public void add(int index, E element) {
rangeCheckForAdd(index);
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
size - index);
elementData[index] = element;
size++;
} ArrayList类提供了两个方法用于添加元素，分别是在末尾添加元素和在指定位置添加元素。在末尾添加元素时，ArrayList会自动扩容，然后将元素添加到数组的末尾。在指定位置添加元素时，需要调用System.arraycopy方法将插入位置之后的元素向后移动一位，然后将元素插入到指定位置，并调整size属性的值。
remove方法
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; // clear to let GC do its work
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;
}
private void fastRemove(int index) {
modCount++;
int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
numMoved);
elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
} ArrayList类提供了两个方法用于删除元素，分别是按照下标删除元素和按照元素值删除元素。按照下标删除元素时，需要将删除位置之后的元素向前移动一位，并将删除位置所在的元素赋为null，最后调整size属性的值。按照元素值删除元素时，需要遍历整个数组，找到要删除的元素所在的位置，然后调用fastRemove方法进行删除。
set方法
public E set(int index, E element) {
rangeCheck(index);
E oldValue = elementData(index);
elementData[index] = element;
return oldValue;
}ArrayList类提供了set方法用于替换指定位置的元素。该方法首先需要检查指定位置是否越界，然后将指定位置的元素替换为新的元素，并返回被替换的旧元素。
get方法
public E get(int index) {
rangeCheck(index);
return elementData(index);
}ArrayList类提供了get方法用于获取指定位置的元素。该方法首先需要检查指定位置是否越界，然后返回指定位置的元素。
size方法
public int size() {
return size;
}ArrayList类提供了size方法用于获取ArrayList中元素的数量，即size属性的值。
测试用例
根据如上对ArrayList集合的理论知识进行了讲解之后，如下我们将通过写一个实测来辅助大家进行理解，到底如何使用Java中的ArrayList类。
测试代码演示
package com.example.javase.collection;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
/**
* @Author ms
* @Date 2023-10-24 19:31
*/
public class ArrayListTest {
public static void main(String[] args) {
// create an empty arraylist
List<String> list = new ArrayList<>();
// add elements to the list
list.add("Java");
list.add("Python");
list.add("C++");
// print the list
System.out.println("Original list: " + list);
// insert an element at specific index
list.add(1, "JavaScript");
System.out.println("After insert an element: " + list);
// get an element at specific index
String element = list.get(2);
System.out.println("Element at index 2: " + element);
// remove an element at specific index
list.remove(1);
System.out.println("After remove an element: " + list);
// remove an element by value
list.remove("Java");
System.out.println("After remove an element by value: " + list);
}
}上述测试用例演示了ArrayList的基本用法，包括添加元素、插入元素、获取元素、删除元素等等。读者可以根据需要进行修改和拓展，以更好地理解和使用ArrayList。
测试代码结果
根据如上测试用例，测试结果如下：仅供参考：
测试代码分析
根据我们如上写的测试用例代码，我们在此进行一波详细解析，大家请看：
如上测试用例代码演示了如何使用Java中的ArrayList类。首先，创建了一个空的ArrayList对象，并通过add方法添加了三个字符串元素。然后，演示如何在指定的索引位置插入元素，获取特定索引位置的元素，以及如何删除指定索引的元素和特定值的元素。最后，通过输出语句展示了ArrayList列表的变化过程。
小结
- ArrayList是Java集合框架中非常常用的一个动态数组，可以存储任意类型的对象。
- ArrayList支持动态扩容和随机访问，因此在需要动态添加或删除元素，并需要支持快速随机访问的场景下，是一个非常方便的工具。
- ArrayList的源代码非常长，但其实现原理比较简单，主要涉及到数组的扩容和元素的移动等操作。
- ArrayList具有很高的操作效率，但在删除和插入元素时，需要进行数组元素的移动和复制，因此速度较慢。
- ArrayList是一个线程不安全的类，因此在多线程环境下需要采取额外的措施保证线程安全。
总结
ArrayList作为Java集合框架中的一个重要部分，在Java编程中扮演着非常重要的角色。它具有动态扩容、随机访问和丰富的 API 等特性，为开发人员提供了非常方便的数据存储和管理方式。但是，在使用ArrayList时需要注意多线程安全和操作效率的问题，在特定场景下需要选择合适的数据结构进行使用。掌握ArrayList的相关知识，对于Java开发人员来说是非常有必要的。
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文末
好啦，以上就是我这期的全部内容，如果有任何疑问，欢迎下方留言哦，咱们下期见。
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学习不分先后，知识不分多少；事无巨细，当以虚心求教；三人行，必有我师焉！！！
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