Java 集合系列： ArrayList详细介绍(源码解析)和使用示例

第1部分 ArrayList介绍

ArrayList简介

ArrayList 是一个数组队列，相当于 动态数组。与Java中的数组相比，它的容量能动态增长。它继承于AbstractList，实现了List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable这些接口。

ArrayList 继承了AbstractList，实现了List。它是一个数组队列，提供了相关的添加、删除、修改、遍历等功能。
ArrayList 实现了RandmoAccess接口，即提供了随机访问功能。RandmoAccess是java中用来被List实现，为List提供快速访问功能的。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。稍后，我们会比较List的“快速随机访问”和“通过Iterator迭代器访问”的效率。

ArrayList 实现了Cloneable接口，即覆盖了函数clone()，能被克隆。

ArrayList 实现java.io.Serializable接口，这意味着ArrayList支持序列化，能通过序列化去传输。

和Vector不同，ArrayList中的操作不是线程安全的！所以，建议在单线程中才使用ArrayList，而在多线程中可以选择Vector或者CopyOnWriteArrayList。

ArrayList构造函数

// 默认构造函数ArrayList()// capacity是ArrayList的默认容量大小。当由于增加数据导致容量不足时，容量会添加上一次容量大小的一半。ArrayList(int capacity)// 创建一个包含collection的ArrayListArrayList(Collection<? extends E> collection)

ArrayList的API

// Collection中定义的APIboolean             add(E object)boolean             addAll(Collection<? extends E> collection)void                clear()boolean             contains(Object object)boolean             containsAll(Collection<?> collection)boolean             equals(Object object)int                 hashCode()boolean             isEmpty()Iterator<E>         iterator()boolean             remove(Object object)boolean             removeAll(Collection<?> collection)boolean             retainAll(Collection<?> collection)int                 size()<T> T[]             toArray(T[] array)Object[]            toArray()// AbstractCollection中定义的APIvoid                add(int location, E object)boolean             addAll(int location, Collection<? extends E> collection)E                   get(int location)int                 indexOf(Object object)int                 lastIndexOf(Object object)ListIterator<E>     listIterator(int location)ListIterator<E>     listIterator()E                   remove(int location)E                   set(int location, E object)List<E>             subList(int start, int end)// ArrayList新增的APIObject               clone()void                 ensureCapacity(int minimumCapacity)void                 trimToSize()void                 removeRange(int fromIndex, int toIndex)

第2部分 ArrayList数据结构

ArrayList的继承关系

java.lang.Object   ↳     java.util.AbstractCollection<E>         ↳     java.util.AbstractList<E>               ↳     java.util.ArrayList<E>public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {}

ArrayList包含了两个重要的对象：elementData 和 size。

(01) elementData 是"Object[]类型的数组"，它保存了添加到ArrayList中的元素。实际上，elementData是个动态数组，我们能通过构造函数 ArrayList(int initialCapacity)来执行它的初始容量为initialCapacity；如果通过不含参数的构造函数ArrayList()来创建ArrayList，则elementData的容量默认是10。elementData数组的大小会根据ArrayList容量的增长而动态的增长，具体的增长方式，请参考源码分析中的ensureCapacity()函数。

(02) size 则是动态数组的实际大小。

第3部分 ArrayList源码解析(基于JDK1.6.0_45)

为了更了解ArrayList的原理，下面对ArrayList源码代码作出分析。ArrayList是通过数组实现的，源码比较容易理解。

package java.util;public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable{    // 序列版本号    private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;    // 保存ArrayList中数据的数组    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<? extends E> c) {        elementData = c.toArray();        size = elementData.length;        // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)        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        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;            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;    }    // 返回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的模板数组。所谓模板数组，即可以将T设为任意的数据类型    public <T> T[] 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<? extends E> 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<? extends E> 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 {            ArrayList<E> v = (ArrayList<E>) 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();    }}

总结：

(01) ArrayList 实际上是通过一个数组去保存数据的。当我们构造ArrayList时；若使用默认构造函数，则ArrayList的默认容量大小是10。
(02) 当ArrayList容量不足以容纳全部元素时，ArrayList会重新设置容量：新的容量=“(原始容量x3)/2 + 1”。
(03) ArrayList的克隆函数，即是将全部元素克隆到一个数组中。
(04) ArrayList实现java.io.Serializable的方式。当写入到输出流时，先写入“容量”，再依次写入“每一个元素”；当读出输入流时，先读取“容量”，再依次读取“每一个元素”。

第4部分 ArrayList遍历方式

ArrayList支持3种遍历方式

(01) 第一种，通过迭代器遍历。即通过Iterator去遍历。

Integer value = null;Iterator iter = list.iterator();while (iter.hasNext()) {    value = (Integer)iter.next();}

(02) 第二种，随机访问，通过索引值去遍历。
由于ArrayList实现了RandomAccess接口，它支持通过索引值去随机访问元素。

Integer value = null;int size = list.size();for (int i=0; i<size; i++) {    value = (Integer)list.get(i);        }

(03) 第三种，for循环遍历。如下：

Integer value = null;for (Integer integ:list) {    value = integ;}

下面通过一个实例，比较这3种方式的效率，实例代码(ArrayListRandomAccessTest.java)如下：

import java.util.*;import java.util.concurrent.*;/* * @desc ArrayList遍历方式和效率的测试程序。 * * @author skywang */public class ArrayListRandomAccessTest {    public static void main(String[] args) {        List list = new ArrayList();        for (int i=0; i<100000; i++)            list.add(i);        //isRandomAccessSupported(list);        iteratorThroughRandomAccess(list) ;        iteratorThroughIterator(list) ;        iteratorThroughFor2(list) ;    }    private static void isRandomAccessSupported(List list) {        if (list instanceof RandomAccess) {            System.out.println("RandomAccess implemented!");        } else {            System.out.println("RandomAccess not implemented!");        }    }    public static void iteratorThroughRandomAccess(List list) {        long startTime;        long endTime;        startTime = System.currentTimeMillis();        for (int i=0; i<list.size(); i++) {            list.get(i);        }        endTime = System.currentTimeMillis();        long interval = endTime - startTime;        System.out.println("iteratorThroughRandomAccess：" + interval+" ms");    }    public static void iteratorThroughIterator(List list) {        long startTime;        long endTime;        startTime = System.currentTimeMillis();        for(Iterator iter = list.iterator(); iter.hasNext(); ) {            iter.next();        }        endTime = System.currentTimeMillis();        long interval = endTime - startTime;        System.out.println("iteratorThroughIterator：" + interval+" ms");    }    public static void iteratorThroughFor2(List list) {        long startTime;        long endTime;        startTime = System.currentTimeMillis();        for(Object obj:list)            ;        endTime = System.currentTimeMillis();        long interval = endTime - startTime;        System.out.println("iteratorThroughFor2：" + interval+" ms");    }}

运行结果：

iteratorThroughRandomAccess：3 ms
iteratorThroughIterator：8 ms
iteratorThroughFor2：5 ms

由此可见，遍历ArrayList时，使用随机访问(即，通过索引序号访问)效率最高，而使用迭代器的效率最低！

第5部分 toArray()异常

当我们调用ArrayList中的 toArray()，可能遇到过抛出“java.lang.ClassCastException”异常的情况。下面我们说说这是怎么回事。

ArrayList提供了2个toArray()函数：

Object[] toArray()<T> T[] toArray(T[] contents)

调用 toArray() 函数会抛出“java.lang.ClassCastException”异常，但是调用 toArray(T[] contents) 能正常返回 T[]。

toArray() 会抛出异常是因为 toArray() 返回的是 Object[] 数组，将 Object[] 转换为其它类型(如如，将Object[]转换为的Integer[])则会抛出“java.lang.ClassCastException”异常，因为Java不支持向下转型。具体的可以参考前面ArrayList.java的源码介绍部分的toArray()。
解决该问题的办法是调用 <T> T[] toArray(T[] contents) ， 而不是 Object[] toArray()。

调用 toArray(T[] contents) 返回T[]的可以通过以下几种方式实现。

// toArray(T[] contents)调用方式一public static Integer[] vectorToArray1(ArrayList<Integer> v) {    Integer[] newText = new Integer[v.size()];    v.toArray(newText);    return newText;}// toArray(T[] contents)调用方式二。最常用！public static Integer[] vectorToArray2(ArrayList<Integer> v) {    Integer[] newText = (Integer[])v.toArray(new Integer[0]);    return newText;}// toArray(T[] contents)调用方式三public static Integer[] vectorToArray3(ArrayList<Integer> v) {    Integer[] newText = new Integer[v.size()];    Integer[] newStrings = (Integer[])v.toArray(newText);    return newStrings;}

第6部分 ArrayList示例

本文通过一个实例(ArrayListTest.java)，介绍 ArrayList 中常用API的用法。

import java.util.*;/* * @desc ArrayList常用API的测试程序 * @author skywang  * @email kuiwu-wang@163.com */public class ArrayListTest {    public static void main(String[] args) {        // 创建ArrayList        ArrayList list = new ArrayList();        // 将“”        list.add("1");        list.add("2");        list.add("3");        list.add("4");        // 将下面的元素添加到第1个位置        list.add(0, "5");        // 获取第1个元素        System.out.println("the first element is: "+ list.get(0));        // 删除“3”        list.remove("3");        // 获取ArrayList的大小        System.out.println("Arraylist size=: "+ list.size());        // 判断list中是否包含"3"        System.out.println("ArrayList contains 3 is: "+ list.contains(3));        // 设置第2个元素为10        list.set(1, "10");        // 通过Iterator遍历ArrayList        for(Iterator iter = list.iterator(); iter.hasNext(); ) {            System.out.println("next is: "+ iter.next());        }        // 将ArrayList转换为数组        String[] arr = (String[])list.toArray(new String[0]);        for (String str:arr)            System.out.println("str: "+ str);        // 清空ArrayList        list.clear();        // 判断ArrayList是否为空        System.out.println("ArrayList is empty: "+ list.isEmpty());    }}

运行结果：

the first element is: 5
Arraylist size=: 4
ArrayList contains 3 is: false
next is: 5
next is: 10
next is: 2
next is: 4
str: 5
str: 10
str: 2
str: 4
ArrayList is empty: true

出处：http://www.cnblogs.com/skywang12345/p/3308513.html
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