java集合系列之三(ArrayList)

上一章，我们学习了Collection的架构。这一章开始，我们对Collection的具体实现类进行讲解；首先，讲解List，而List中ArrayList又最为常用。因此，本章我们讲解ArrayList。先对ArrayList有个整体认识，再学习它的源码，最后再通过例子来学习如何使用它。内容包括：
第1部分 ArrayList简介
第2部分 ArrayList数据结构
第3部分 ArrayList源码解析(基于JDK1.6.0_45)
第4部分 ArrayList遍历方式
第5部分 toArray()异常
第6部分 ArrayList示例

转载请注明出处：http://www.cnblogs.com/skywang12345/p/3308556.html

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ArrayList
ArrayList(Collection<? extends E> collection)

ArrayList的API

// Collection中定义的API
boolean             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API
void                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API
Object               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与Collection关系如下图：

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(省略）：

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)调用方式二。最常用！
public static Integer[] vectorToArray2(ArrayList<Integer> v) {
    Integer[] newText = (Integer[])v.toArray(new Integer[0]);
    return newText;
}