Java集合包（三）——List实现类之ArrayList与Vector原理分析

转载请注明原文地址： https://www.cnblogs.com/ygj0930/p/13560541.html

一：ArrayList特征

　　ArrayList 是一个 动态数组。与Java中的基本数组相比，它的容量能动态增长。

　　ArrayList中的操作不是线程安全的，建议在单线程环境下使用。多线程中可以选择JUC并发包中的CopyOnWriteArrayList。

二：ArrayList的继承与实现关系

　　

1、继承层次

java.lang.Object
   ↳     java.util.AbstractCollection<E>
         ↳     java.util.AbstractList<E>
               ↳     java.util.ArrayList<E>

2、类定义与实现

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {}

　1）ArrayList 继承了AbstractList抽象类，并实现了List接口。因此它可以提供相关的添加、删除、修改、遍历等功能。

　2）ArrayList 实现了RandmoAccess接口，提供了快速随机访问的功能。

　3）ArrayList 实现了Cloneable接口，覆盖了clone()方法，因此可以被克隆。

　4）ArrayList 实现java.io.Serializable接口，支持序列化。

三：ArrayList原理

　　ArrayList中包含两个重要的成员：elementData数组 和 size变量。

　　1）elementData 数组是"Object[]类型的数组"，它保存了添加到ArrayList中的元素：此处涉及泛型擦除的知识，请移步相关博文或自行百度。

　　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：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”。

　　2） size 则是动态数组的实际大小。

　　3）ArrayList重写了clone()方法，将全部元素克隆到一个新数组中并设置为elementData成员的引用。

　　4） ArrayList的序列化与反序列化的方式：序列化时，先写入“容量”，再依次写入“每一个元素”；反序列化时，先读取“容量”，再依次读取“每一个元素”。

四：ArrayList的关键方法

　　1、数组容量检查并扩容

 50     // 确定ArrarList的容量。
 51     // 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”
 52     public void ensureCapacity(int minCapacity) {
 53         // 将“修改统计数”+1
 54         modCount++;
 55         int oldCapacity = elementData.length;
 56         // 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”
 57         if (minCapacity > oldCapacity) {
 58             Object oldData[] = elementData;
 59             int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1;
 60             if (newCapacity < minCapacity)
 61                 newCapacity = minCapacity;
 62             elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
 63         }
 64     }

　　该方法在add方法中被调用：

// 添加元素e
 67     public boolean add(E e) {
 68         // 确定ArrayList的容量大小
 69         ensureCapacity(size + 1);  // Increments modCount!!
 70         // 添加e到ArrayList中
 71         elementData[size++] = e;
 72         return true;
 73     }

　　确保添加元素前，数组的容量足够。

　　2、迭代与内容访问

　　(1) 快速随机访问，通过索引值访问内容。
　　由于ArrayList实现了RandomAccess接口，它支持通过索引值去随机访问元素。

list.get(i)

　　(2) 通过迭代器遍历

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

　　(03) for循环遍历

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

　　效率对比：快速随机访问>for循环遍历>迭代器遍历。

　　原因：快速随机访问可以直接找到元素，for循环遍历复用了快速随机访问机制因此比较快，迭代器需要从头开始迭代并且有hashNext()等相关操作因此比较慢。

　　3、数组转换

　　有时我们需要将ArrayList转换回Java基本数组，此时需要调用toArray方法。

　　ArrayList中对toArray方法进行了重载，分别有以下两种实现：

　　1）Object[] toArray()

// 返回ArrayList的Object数组
134     public Object[] toArray() {
135         return Arrays.copyOf(elementData, size);
136     }

　　该方法直接将ArrayList中的elementData数组内容拷贝一份并返回，由于类型擦除的原因，该数组存储的是Object对象，因此返回的是Object数组。

　　需要注意：此时在调用处只能用Object[] x 变量来接收返回值，如果用其他类型数组强制接收会出行类型转换异常，因为不能直接将Object类型转换为基本类型。

　　2）<T> T[] toArray(T[] a)

  // 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
139     public <T> T[] toArray(T[] a) {
140         // 若数组a的大小 < ArrayList的元素个数；
141         // 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
142         if (a.length < size)
143             return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass());
144 
145         // 若数组a的大小 >= ArrayList的元素个数；
146         // 则将ArrayList的全部元素都拷贝到数组a中。
147         System.arraycopy(elementData, 0, a, 0, size);
148         if (a.length > size)
149             a[size] = null;
150         return a;
151     }

　　该方法需要传入一个模板数组作为参数，用来承载ArrayList数组中的内容，并返回接受拷贝后该参数的引用。

　　在此方法中，ArrayList中的数组内容拷贝到容器数组时，会按照传进来的模板参数数组的实际类型来进行转换，然后再复制进模板数组中。

　　调用示例：

 Integer[] newArray = (Integer[])arrayList.toArray(new Integer[n]);//参数为一个某确定长度的确定类型的基本数组

五：Vector【已过时】

　　1、特征

　　Vector是一个动态数组，但是它是线程安全的。

　　Vector元素的访问，使用索引的随机访问方式最快，使用迭代器最慢。

　　Vector通过为方法加synchronized 来实现线程安全。

　　2、原理

　　Vector的数据结构和ArrayList差不多，它包含了3个成员变量：elementData数组 , elementCount， capacityIncrement。

　　(01) elementData 是"Object[]类型的数组"，它保存了添加到Vector中的元素。

　　elementData是个动态数组，如果初始化Vector时，没指定动态数组的>大小，则使用默认大小10。

　　随着Vector中元素的增加，Vector的容量也会动态增长，若容量增加系数 >0，则将容量的值增加“容量增加系数”；否则，将容量大小增加一倍。

　　(02) elementCount 是动态数组的实际大小。

　　(03) capacityIncrement 是动态数组的增长系数。如果在创建Vector时，指定了capacityIncrement的大小；则，每次当Vector中动态数组容量增加时>，增加的大小都是capacityIncrement。

　　3、源码分析

package java.util;

public class Vector<E>
    extends AbstractList<E>
    implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{

    // 保存Vector中数据的数组
    protected Object[] elementData;

    // 实际数据的数量
    protected int elementCount;

    // 容量增长系数
    protected int capacityIncrement;

    // Vector的序列版本号
    private static final long serialVersionUID = -2767605614048989439L;

    // Vector构造函数。默认容量是10。
    public Vector() {
        this(10);
    }

    // 指定Vector容量大小的构造函数
    public Vector(int initialCapacity) {
        this(initialCapacity, 0);
    }

    // 指定Vector"容量大小"和"增长系数"的构造函数
    public Vector(int initialCapacity, int capacityIncrement) {
        super();
        if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                               initialCapacity);
        // 新建一个数组，数组容量是initialCapacity
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
        // 设置容量增长系数
        this.capacityIncrement = capacityIncrement;
    }

    // 指定集合的Vector构造函数。
    public Vector(Collection<? extends E> c) {
        // 获取“集合(c)”的数组，并将其赋值给elementData
        elementData = c.toArray();
        // 设置数组长度
        elementCount = elementData.length;
        // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
        if (elementData.getClass() != Object[].class)
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, elementCount, Object[].class);
    }

    // 将数组Vector的全部元素都拷贝到数组anArray中
    public synchronized void copyInto(Object[] anArray) {
        System.arraycopy(elementData, 0, anArray, 0, elementCount);
    }

    // 将当前容量值设为 =实际元素个数
    public synchronized void trimToSize() {
        modCount++;
        int oldCapacity = elementData.length;
        if (elementCount < oldCapacity) {
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, elementCount);
        }
    }

    // 确认“Vector容量”的帮助函数
    private void ensureCapacityHelper(int minCapacity) {
        int oldCapacity = elementData.length;
        // 当Vector的容量不足以容纳当前的全部元素，增加容量大小。
        // 若 容量增量系数>0(即capacityIncrement>0)，则将容量增大当capacityIncrement
        // 否则，将容量增大一倍。
        if (minCapacity > oldCapacity) {
            Object[] oldData = elementData;
            int newCapacity = (capacityIncrement > 0) ?
                (oldCapacity + capacityIncrement) : (oldCapacity * 2);
            if (newCapacity < minCapacity) {
                newCapacity = minCapacity;
            }
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
        }
    }

    // 确定Vector的容量。
    public synchronized void ensureCapacity(int minCapacity) {
        // 将Vector的改变统计数+1
        modCount++;
        ensureCapacityHelper(minCapacity);
    }

    // 设置容量值为 newSize
    public synchronized void setSize(int newSize) {
        modCount++;
        if (newSize > elementCount) {
            // 若 "newSize 大于 Vector容量"，则调整Vector的大小。
            ensureCapacityHelper(newSize);
        } else {
            // 若 "newSize 小于/等于 Vector容量"，则将newSize位置开始的元素都设置为null
            for (int i = newSize ; i < elementCount ; i++) {
                elementData[i] = null;
            }
        }
        elementCount = newSize;
    }

    // 返回“Vector的总的容量”
    public synchronized int capacity() {
        return elementData.length;
    }

    // 返回“Vector的实际大小”，即Vector中元素个数
    public synchronized int size() {
        return elementCount;
    }

    // 判断Vector是否为空
    public synchronized boolean isEmpty() {
        return elementCount == 0;
    }

    // 返回“Vector中全部元素对应的Enumeration”
    public Enumeration<E> elements() {
        // 通过匿名类实现Enumeration
        return new Enumeration<E>() {
            int count = 0;

            // 是否存在下一个元素
            public boolean hasMoreElements() {
                return count < elementCount;
            }

            // 获取下一个元素
            public E nextElement() {
                synchronized (Vector.this) {
                    if (count < elementCount) {
                        return (E)elementData[count++];
                    }
                }
                throw new NoSuchElementException("Vector Enumeration");
            }
        };
    }

    // 返回Vector中是否包含对象(o)
    public boolean contains(Object o) {
        return indexOf(o, 0) >= 0;
    }


    // 从index位置开始向后查找元素(o)。
    // 若找到，则返回元素的索引值；否则，返回-1
    public synchronized int indexOf(Object o, int index) {
        if (o == null) {
            // 若查找元素为null，则正向找出null元素，并返回它对应的序号
            for (int i = index ; i < elementCount ; i++)
            if (elementData[i]==null)
                return i;
        } else {
            // 若查找元素不为null，则正向找出该元素，并返回它对应的序号
            for (int i = index ; i < elementCount ; i++)
            if (o.equals(elementData[i]))
                return i;
        }
        return -1;
    }

    // 查找并返回元素(o)在Vector中的索引值
    public int indexOf(Object o) {
        return indexOf(o, 0);
    }

    // 从后向前查找元素(o)。并返回元素的索引
    public synchronized int lastIndexOf(Object o) {
        return lastIndexOf(o, elementCount-1);
    }

    // 从后向前查找元素(o)。开始位置是从前向后的第index个数；
    // 若找到，则返回元素的“索引值”；否则，返回-1。
    public synchronized int lastIndexOf(Object o, int index) {
        if (index >= elementCount)
            throw new IndexOutOfBoundsException(index + " >= "+ elementCount);

        if (o == null) {
            // 若查找元素为null，则反向找出null元素，并返回它对应的序号
            for (int i = index; i >= 0; i--)
            if (elementData[i]==null)
                return i;
        } else {
            // 若查找元素不为null，则反向找出该元素，并返回它对应的序号
            for (int i = index; i >= 0; i--)
            if (o.equals(elementData[i]))
                return i;
        }
        return -1;
    }

    // 返回Vector中index位置的元素。
    // 若index月结，则抛出异常
    public synchronized E elementAt(int index) {
        if (index >= elementCount) {
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index + " >= " + elementCount);
        }

        return (E)elementData[index];
    }

    // 获取Vector中的第一个元素。
    // 若失败，则抛出异常！
    public synchronized E firstElement() {
        if (elementCount == 0) {
            throw new NoSuchElementException();
        }
        return (E)elementData[0];
    }

    // 获取Vector中的最后一个元素。
    // 若失败，则抛出异常！
    public synchronized E lastElement() {
        if (elementCount == 0) {
            throw new NoSuchElementException();
        }
        return (E)elementData[elementCount - 1];
    }

    // 设置index位置的元素值为obj
    public synchronized void setElementAt(E obj, int index) {
        if (index >= elementCount) {
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index + " >= " +
                                 elementCount);
        }
        elementData[index] = obj;
    }

    // 删除index位置的元素
    public synchronized void removeElementAt(int index) {
        modCount++;
        if (index >= elementCount) {
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index + " >= " +
                                 elementCount);
        } else if (index < 0) {
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);
        }

        int j = elementCount - index - 1;
        if (j > 0) {
            System.arraycopy(elementData, index + 1, elementData, index, j);
        }
        elementCount--;
        elementData[elementCount] = null; /* to let gc do its work */
    }

    // 在index位置处插入元素(obj)
    public synchronized void insertElementAt(E obj, int index) {
        modCount++;
        if (index > elementCount) {
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index
                                 + " > " + elementCount);
        }
        ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, elementCount - index);
        elementData[index] = obj;
        elementCount++;
    }

    // 将“元素obj”添加到Vector末尾
    public synchronized void addElement(E obj) {
        modCount++;
        ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
        elementData[elementCount++] = obj;
    }

    // 在Vector中查找并删除元素obj。
    // 成功的话，返回true；否则，返回false。
    public synchronized boolean removeElement(Object obj) {
        modCount++;
        int i = indexOf(obj);
        if (i >= 0) {
            removeElementAt(i);
            return true;
        }
        return false;
    }

    // 删除Vector中的全部元素
    public synchronized void removeAllElements() {
        modCount++;
        // 将Vector中的全部元素设为null
        for (int i = 0; i < elementCount; i++)
            elementData[i] = null;

        elementCount = 0;
    }

    // 克隆函数
    public synchronized Object clone() {
        try {
            Vector<E> v = (Vector<E>) super.clone();
            // 将当前Vector的全部元素拷贝到v中
            v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, elementCount);
            v.modCount = 0;
            return v;
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            // this shouldn't happen, since we are Cloneable
            throw new InternalError();
        }
    }

    // 返回Object数组
    public synchronized Object[] toArray() {
        return Arrays.copyOf(elementData, elementCount);
    }

    // 返回Vector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 synchronized <T> T[] toArray(T[] a) {
        // 若数组a的大小 < Vector的元素个数；
        // 则新建一个T[]数组，数组大小是“Vector的元素个数”，并将“Vector”全部拷贝到新数组中
        if (a.length < elementCount)
            return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, elementCount, a.getClass());

        // 若数组a的大小 >= Vector的元素个数；
        // 则将Vector的全部元素都拷贝到数组a中。
    System.arraycopy(elementData, 0, a, 0, elementCount);

        if (a.length > elementCount)
            a[elementCount] = null;

        return a;
    }

    // 获取index位置的元素
    public synchronized E get(int index) {
        if (index >= elementCount)
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);

        return (E)elementData[index];
    }

    // 设置index位置的值为element。并返回index位置的原始值
    public synchronized E set(int index, E element) {
        if (index >= elementCount)
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);

        Object oldValue = elementData[index];
        elementData[index] = element;
        return (E)oldValue;
    }

    // 将“元素e”添加到Vector最后。
    public synchronized boolean add(E e) {
        modCount++;
        ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
        elementData[elementCount++] = e;
        return true;
    }

    // 删除Vector中的元素o
    public boolean remove(Object o) {
        return removeElement(o);
    }

    // 在index位置添加元素element
    public void add(int index, E element) {
        insertElementAt(element, index);
    }

    // 删除index位置的元素，并返回index位置的原始值
    public synchronized E remove(int index) {
        modCount++;
        if (index >= elementCount)
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);
        Object oldValue = elementData[index];

        int numMoved = elementCount - index - 1;
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                     numMoved);
        elementData[--elementCount] = null; // Let gc do its work

        return (E)oldValue;
    }

    // 清空Vector
    public void clear() {
        removeAllElements();
    }

    // 返回Vector是否包含集合c
    public synchronized boolean containsAll(Collection<?> c) {
        return super.containsAll(c);
    }

    // 将集合c添加到Vector中
    public synchronized boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
        modCount++;
        Object[] a = c.toArray();
        int numNew = a.length;
        ensureCapacityHelper(elementCount + numNew);
        // 将集合c的全部元素拷贝到数组elementData中
        System.arraycopy(a, 0, elementData, elementCount, numNew);
        elementCount += numNew;
        return numNew != 0;
    }

    // 删除集合c的全部元素
    public synchronized boolean removeAll(Collection<?> c) {
        return super.removeAll(c);
    }

    // 删除“非集合c中的元素”
    public synchronized boolean retainAll(Collection<?> c)  {
        return super.retainAll(c);
    }

    // 从index位置开始，将集合c添加到Vector中
    public synchronized boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
        modCount++;
        if (index < 0 || index > elementCount)
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);

        Object[] a = c.toArray();
        int numNew = a.length;
        ensureCapacityHelper(elementCount + numNew);

        int numMoved = elementCount - index;
        if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew, numMoved);

        System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);
        elementCount += numNew;
        return numNew != 0;
    }

    // 返回两个对象是否相等
    public synchronized boolean equals(Object o) {
        return super.equals(o);
    }

    // 计算哈希值
    public synchronized int hashCode() {
        return super.hashCode();
    }

    // 调用父类的toString()
    public synchronized String toString() {
        return super.toString();
    }

    // 获取Vector中fromIndex(包括)到toIndex(不包括)的子集
    public synchronized List<E> subList(int fromIndex, int toIndex) {
        return Collections.synchronizedList(super.subList(fromIndex, toIndex), this);
    }

    // 删除Vector中fromIndex到toIndex的元素
    protected synchronized void removeRange(int fromIndex, int toIndex) {
        modCount++;
        int numMoved = elementCount - toIndex;
        System.arraycopy(elementData, toIndex, elementData, fromIndex,
                         numMoved);

        // Let gc do its work
        int newElementCount = elementCount - (toIndex-fromIndex);
        while (elementCount != newElementCount)
            elementData[--elementCount] = null;
    }

    // java.io.Serializable的写入函数
    private synchronized void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
        throws java.io.IOException {
        s.defaultWriteObject();
    }
}

　　根据源码可以发现：Vector的底层数据结构和操作api大多与ArrayList一致，不同的地方在于：很多API都使用了 synchronized  关键字来保证线程安全。

　　也正是因为如此，所以Vector在多线程环境下效率比较慢，特别是查询操作也要被锁住，这很不友好。

　　因此，不推荐使用Vector，而是使用CopyOnWriteArrayList类。