Java集合 ArrayList原理及使用

ArrayList是集合的一种实现，实现了接口List，List接口继承了Collection接口。Collection是所有集合类的父类。ArrayList使用非常广泛，不论是数据库表查询，excel导入解析，还是网站数据爬取都需要使用到，了解ArrayList原理及使用方法显得非常重要。

一. 定义一个ArrayList

//默认创建一个ArrayList集合
List<String> list = new ArrayList<>();
//创建一个初始化长度为100的ArrayList集合
List<String> initlist = new ArrayList<>(100);
//将其他类型的集合转为ArrayList
List<String> setList = new ArrayList<>(new HashSet());

我们读一下源码，看看定义ArrayList的过程到底做了什么？

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
    /**
     * Default initial capacity.
     */
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

    /**
     * Shared empty array instance used for empty instances.
     */
    private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

    /**
     * Shared empty array instance used for default sized empty instances. We
     * distinguish this from EMPTY_ELEMENTDATA to know how much to inflate when
     * first element is added.
     */
    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

    /**
     * The array buffer into which the elements of the ArrayList are stored.
     * The capacity of the ArrayList is the length of this array buffer. Any
     * empty ArrayList with elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
     * will be expanded to DEFAULT_CAPACITY when the first element is added.
     */
    transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access

    /**
     * The size of the ArrayList (the number of elements it contains).
     *
     * @serial
     */
    private int size;

    /**
     * Constructs an empty list with the specified initial capacity.
     *
     * @param  initialCapacity  the initial capacity of the list
     * @throws IllegalArgumentException if the specified initial capacity
     *         is negative
     */
    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);
        }
    }

    /**
     * Constructs an empty list with an initial capacity of ten.
     */
    public ArrayList() {
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }

    /**
     * Constructs a list containing the elements of the specified
     * collection, in the order they are returned by the collection's
     * iterator.
     *
     * @param c the collection whose elements are to be placed into this list
     * @throws NullPointerException if the specified collection is null
     */
    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;
        }
    }
}

其实源码里面已经很清晰了，ArrayList非线程安全，底层是一个Object[]，添加到ArrayList中的数据保存在了elementData属性中。

• 当调用new ArrayList<>()时，将一个空数组{}赋值给了elementData，这个时候集合的长度size为默认长度0；

• 当调用new ArrayList<>(100)时，根据传入的长度，new一个Object[100]赋值给elementData，当然如果玩儿的话，传了一个0，那么将一个空数组{}赋值给了elementData；

• 当调用new ArrayList<>(new HashSet())时，根据源码，我们可知，可以传递任何实现了Collection接口的类，将传递的集合调用toArray()方法转为数组内赋值给elementData;

注意：在传入集合的ArrayList的构造方法中，有这样一个判断

if (elementData.getClass() != Object[].class)，

给出的注释是：c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)，即调用toArray方法返回的不一定是Object[]类型，查看ArrayList源码

public Object[] toArray() {    return Arrays.copyOf(elementData, size);}

我们发现返回的确实是Object[]，那么为什么还会有这样的判断呢？

如果有一个类CustomList继承了ArrayList，然后重写了toArray()方法呢。。

public class CustomList<E> extends ArrayList {
    @Override
    public Integer [] toArray() {
        return new Integer[]{1,2};
    };
    
    public static void main(String[] args) {
        Object[] elementData = new CustomList<Integer>().toArray();
        System.out.println(elementData.getClass());
        System.out.println(Object[].class);
        System.out.println(elementData.getClass() == Object[].class);
    }
}

执行结果：

class [Ljava.lang.Integer;
class [Ljava.lang.Object;
false

接着说，如果传入的集合类型和我们定义用来保存添加到集合中值的Object[]类型不一致时，ArrayList做了什么处理？读源码看到，调用了Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);，继续往下走

public static <T,U> T[] copyOf(U[] original, int newLength, Class<? extends T[]> 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;
}

我们发现定义了一个新的数组，将原数组的数据拷贝到了新的数组中去。

二. ArrayList常用方法

ArrayList有很多常用方法，add，addAll，set，get，remove，size，isEmpty等

首先定义了一个ArrayList,

List<String> list = new ArrayList<>(10);
list.add('牛魔王');
list.add('蛟魔王');
...
list.add('美猴王');

Object[] elementData中数据如下：

1. add(E element)

我们通过源码来看一下add("白骨精")到底发生了什么

public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);
    // Increments modCount!!
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

首先通过 ensureCapacityInternal(size + 1) 来保证底层Object[]数组有足够的空间存放添加的数据，然后将添加的数据存放到数组对应的位置上，我们看一下是怎么保证数组有足够的空间？

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
	modCount++;
	// overflow-conscious code
	if (minCapacity - elementData.length > 0)
		grow(minCapacity);
}

这里首先确定了Object[]足够存放添加数据的最小容量，然后通过 grow(int minCapacity) 来进行数组扩容

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);
}

扩容规则为“数组当前足够的最小容量 + （数组当前足够的最小容量 / 2）”，即数组当前足够的最小容量 * 1.5，当然有最大值的限制。

因为最开始定义了集合容量为10，故而本次不会进行扩容，直接将第8个位置（从0开始，下标为7）设置为“白骨精”，这时Object[] elementData中数据如下：

还有和add()类似的方法。空间扩容原理都是一样，如：

add("铁扇", 0); //将数组中的元素各自往后移动一位，再将“铁扇”放到第一个位置上；

addAll(list..七个葫芦娃); //将集合{七个葫芦娃}放到"白骨精"后，很明显当前数组的容量已经不够，需要扩容了，不执行该句代码了；

addAll(list..哪吒三兄弟, 4);//从第五个位置将“哪吒三兄弟”插进去，那么数组第五个位置后的元素都需往后移动三位，数组按规则扩容为18。

指定了插入位置的，会通过rangeCheckForAdd(int index)方法判断是否数组越界

2. set(int index, E element)

因为ArrayList底层是由数组实现的，set实现非常简单，调用 set(8, "猪八戒") 通过传入的数字下标找到对应的位置，替换其中的元素，前提也需要首先判断传入的数组下标是否越界。将“猕猴王”替换为“猪八戒”。

public E set(int index, E element) {
    rangeCheck(index);
    E oldValue = elementData(index);
    elementData[index] = element;
    return oldValue;
}

//返回值“猕猴王”，当前数组中数据：

3. get(int index)

ArrayList中get方法也非常简单，通过下标查找即可，同时需要进行了类型转换，因为数组为Object[]，前提是需要判断传入的数组下标是否越界。

public E get(int index) {
    rangeCheck(index);
    return elementData(index);
}
E elementData(int index) {
    return (E) elementData[index];
}

调用get(6)返回”哪吒“。

4. remove(int index)

首先说一下ArrayList通过下标删除的方法，我们看一下源码

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;
}

通过源码我们可以看到首先获取了待删除的元素，并最终返回了。其次计算了数组中需要移动的位数 size - index - 1，那么很明显我们可以得出待删除的是最后一个元素的话，移到位数为0，否则移动位数大于0，那么通过数组元素的拷贝来实现往前移动相应位数。

如remove(10)，找到的元素为“美猴王”，那么移动位数 = 12-10-1 = 1；此时将原本在第12个位置上（数组下标为11）的“白骨精”往前移动一位，同时设置elementData[11] = null；这里通过设置null值让GC起作用。

5. remove(Object o)

删除ArrayList中的值对象，其实和通过下标删除很相似，只是多了一个步骤，遍历底层数组elementData，通过equals()方法或 == （特殊情况下）来找到要删除的元素，获取其下标，调用remove(int index)一样的代码即可。

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;
}

6. 其他方法

size() : 获取集合长度，通过定义在ArrayList中的私有变量size得到

isEmpty()：是否为空，通过定义在ArrayList中的私有变量size得到

contains(Object o)：是否包含某个元素，通过遍历底层数组elementData，通过equals或==进行判断

clear()：集合清空，通过遍历底层数组elementData，设置为null

三. 总结

本文主要讲解了ArrayList原理，从底层数组着手，讲解了ArrayList定义时到底发生了什么，再添加元素时，扩容规则如何，删除元素时，数组的元素的移动方式以及一些常用方法的用途，若有不对之处，请批评指正，望共同进步，谢谢！