JAVA ArrayList詳細介紹(示例)

2019-11-26 15:55:14

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第1部分 ArrayList介紹
ArrayList 是一個數組隊列，相當于動態數組。與Java中的數組相比，它的容量能動態增長。它繼承于AbstractList，實現了List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable這些接口。
ArrayList 繼承了AbstractList，實現了List。它是一個數組隊列，提供了相關的添加、刪除、修改、遍歷等功能。
ArrayList 實現了RandmoAccess接口，即提供了隨機訪問功能。RandmoAccess是java中用來被List實現，為List提供快速訪問功能的。在ArrayList中，我們即可以通過元素的序號快速獲取元素對象；這就是快速隨機訪問。稍后，我們會比較List的“快速隨機訪問”和“通過Iterator迭代器訪問”的效率。
ArrayList 實現了Cloneable接口，即覆蓋了函數clone()，能被克隆。
ArrayList 實現java.io.Serializable接口，這意味著ArrayList支持序列化，能通過序列化去傳輸。
和Vector不同，ArrayList中的操作不是線程安全的。所以，建議在單線程中才使用ArrayList，而在多線程中可以選擇Vector或者CopyOnWriteArrayList。

ArrayList的繼承關系

ArrayList與Collection關系如下圖：

ArrayList構造函數

復制代碼代碼如下:

// 默認構造函數
ArrayList()
// capacity是ArrayList的默認容量大小。當由于增加數據導致容量不足時，容量會添加上一次容量大小的一半。
ArrayList(int capacity)
// 創建一個包含collection的ArrayList
ArrayList(Collection<? extends E> collection)

ArrayList的API

復制代碼代碼如下:

// Collection中定義的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中定義的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源碼解析
為了更了解ArrayList的原理，下面對ArrayList源碼代碼作出分析。ArrayList是通過數組實現的，源碼比較容易理解。

復制代碼代碼如下:

package java.util;
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
    // 序列版本號
    private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;
    // 保存ArrayList中數據的數組
    private transient Object[] elementData;
    // ArrayList中實際數據的數量
    private int size;
    // ArrayList帶容量大小的構造函數。
    public ArrayList(int initialCapacity) {
        super();
        if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                               initialCapacity);
        // 新建一個數組
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
    }
    // ArrayList構造函數。默認容量是10。
    public ArrayList() {
        this(10);
    }
    // 創建一個包含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);
    }

    // 將當前容量值設為 =實際元素個數
    public void trimToSize() {
        modCount++;
        int oldCapacity = elementData.length;
        if (size < oldCapacity) {
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);
        }
    }

    // 確定ArrarList的容量。
    // 若ArrayList的容量不足以容納當前的全部元素，設置新的容量=“(原始容量x3)/2 + 1”
    public void ensureCapacity(int minCapacity) {
        // 將“修改統計數”+1
        modCount++;
        int oldCapacity = elementData.length;
        // 若當前容量不足以容納當前的元素個數，設置新的容量=“(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) {
        // 確定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的實際大小
    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是否為空
    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(從數組末尾向開始查找)，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數組
    public Object[] toArray() {
        return Arrays.copyOf(elementData, size);
    }
    // 返回ArrayList的模板數組。所謂模板數組，即可以將T設為任意的數據類型
    public <T> T[] toArray(T[] a) {
        // 若數組a的大小 < ArrayList的元素個數；
        // 則新建一個T[]數組，數組大小是“ArrayList的元素個數”，并將“ArrayList”全部拷貝到新數組中
        if (a.length < size)
            return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass());
        // 若數組a的大小 >= ArrayList的元素個數；
        // 則將ArrayList的全部元素都拷貝到數組a中。
        System.arraycopy(elementData, 0, a, 0, size);
        if (a.length > size)
            a[size] = null;
        return a;
    }
    // 獲取index位置的元素值
    public E get(int index) {
        RangeCheck(index);
        return (E) elementData[index];
    }
    // 設置index位置的值為element
    public E set(int index, E element) {
        RangeCheck(index);
        E oldValue = (E) elementData[index];
        elementData[index] = element;
        return oldValue;
    }
    // 將e添加到ArrayList中
    public boolean add(E e) {
        ensureCapacity(size + 1); // Increments modCount!!
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }
    // 將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++;
    }
    // 刪除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;
    }
    // 刪除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;
    }

    // 快速刪除第index個元素
    private void fastRemove(int index) {
        modCount++;
        int numMoved = size - index - 1;
        // 從"index+1"開始，用后面的元素替換前面的元素。
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                             numMoved);
        // 將最后一個元素設為null
        elementData[--size] = null; // Let gc do its work
    }
    // 刪除元素
    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”，則刪除，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，將全部的元素設為null
    public void clear() {
        modCount++;
        for (int i = 0; i < size; i++)
            elementData[i] = null;
        size = 0;
    }
    // 將集合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;
    }
    // 從index位置開始，將集合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;
    }
    // 刪除fromIndex到toIndex之間的全部元素。
    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);
    }

    // 克隆函數
    public Object clone() {
        try {
            ArrayList<E> v = (ArrayList<E>) super.clone();
            // 將當前ArrayList的全部元素拷貝到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的寫入函數
    // 將ArrayList的“容量，所有的元素值”都寫入到輸出流中
    private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
        throws java.io.IOException{
    // Write out element count, and any hidden stuff
    int expectedModCount = modCount;
    s.defaultWriteObject();
        // 寫入“數組的容量”
        s.writeInt(elementData.length);
    // 寫入“數組的每一個元素”
    for (int i=0; i<size; i++)
            s.writeObject(elementData[i]);
    if (modCount != expectedModCount) {
            throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }

    // java.io.Serializable的讀取函數：根據寫入方式讀出
    // 先將ArrayList的“容量”讀出，然后將“所有的元素值”讀出
    private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
        throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
        // Read in size, and any hidden stuff
        s.defaultReadObject();
        // 從輸入流中讀取ArrayList的“容量”
        int arrayLength = s.readInt();
        Object[] a = elementData = new Object[arrayLength];
        // 從輸入流中將“所有的元素值”讀出
        for (int i=0; i<size; i++)
            a[i] = s.readObject();
    }
}

總結：
(01) ArrayList 實際上是通過一個數組去保存數據的。當我們構造ArrayList時；若使用默認構造函數，則ArrayList的默認容量大小是10。
(02) 當ArrayList容量不足以容納全部元素時，ArrayList會重新設置容量：新的容量=“(原始容量x3)/2 + 1”。
(03) ArrayList的克隆函數，即是將全部元素克隆到一個數組中。
(04) ArrayList實現java.io.Serializable的方式。當寫入到輸出流時，先寫入“容量”，再依次寫入“每一個元素”；當讀出輸入流時，先讀取“容量”，再依次讀取“每一個元素”。

第3部分 ArrayList遍歷方式
ArrayList支持3種遍歷方式
(01) 第一種，通過迭代器遍歷。即通過Iterator去遍歷。

復制代碼代碼如下:

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

(02) 第二種，隨機訪問，通過索引值去遍歷。
由于ArrayList實現了RandomAccess接口，它支持通過索引值去隨機訪問元素。

復制代碼代碼如下:

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

(03) 第三種，for循環遍歷。如下：

復制代碼代碼如下:

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

下面通過一個實例，比較這3種方式的效率，實例代碼(ArrayListRandomAccessTest.java)如下：

復制代碼代碼如下:

import java.util.*;
import java.util.concurrent.*;
/*
* @desc ArrayList遍歷方式和效率的測試程序。
*
* @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");
    }
}

運行結果：
iteratorThroughRandomAccess：3 ms
iteratorThroughIterator：8 ms
iteratorThroughFor2：5 ms
由此可見，遍歷ArrayList時，使用隨機訪問(即，通過索引序號訪問)效率最高，而使用迭代器的效率最低！

第4部分 toArray()異常
當我們調用ArrayList中的 toArray()，可能遇到過拋出“java.lang.ClassCastException”異常的情況。下面我們說說這是怎么回事。
ArrayList提供了2個toArray()函數：
Object[] toArray()
<T> T[] toArray(T[] contents)
調用 toArray() 函數會拋出“java.lang.ClassCastException”異常，但是調用 toArray(T[] contents) 能正常返回 T[]。
toArray() 會拋出異常是因為 toArray() 返回的是 Object[] 數組，將 Object[] 轉換為其它類型(如如，將Object[]轉換為的Integer[])則會拋出“java.lang.ClassCastException”異常，因為Java不支持向下轉型。具體的可以參考前面ArrayList.java的源碼介紹部分的toArray()。
解決該問題的辦法是調用 <T> T[] toArray(T[] contents) ，而不是 Object[] toArray()。
調用 toArray(T[] contents) 返回T[]的可以通過以下幾種方式實現。

復制代碼代碼如下:

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

第5部分 ArrayList示例
本文通過一個實例(ArrayListTest.java)，介紹 ArrayList 的常用API。

復制代碼代碼如下:

import java.util.*;
/*
 * @desc ArrayList常用API的測試程序
 * @author skywang 
 * @email kuiwu-wang@163.com
 */
public class ArrayListTest {
    public static void main(String[] args) {

        // 創建ArrayList
        ArrayList list = new ArrayList();
        // 將“”
        list.add("1");
        list.add("2");
        list.add("3");
        list.add("4");
        // 將下面的元素添加到第1個位置
        list.add(0, "5");
        // 獲取第1個元素
        System.out.println("the first element is: "+ list.get(0));
        // 刪除“3”
        list.remove("3");
        // 獲取ArrayList的大小
        System.out.println("Arraylist size=: "+ list.size());
        // 判斷list中是否包含"3"
        System.out.println("ArrayList contains 3 is: "+ list.contains(3));
        // 設置第2個元素為10
        list.set(1, "10");
        // 通過Iterator遍歷ArrayList
        for(Iterator iter = list.iterator(); iter.hasNext(); ) {
            System.out.println("next is: "+ iter.next());
        }
        // 將ArrayList轉換為數組
        String[] arr = (String[])list.toArray(new String[0]);
        for (String str:arr)
            System.out.println("str: "+ str);
        // 清空ArrayList
        list.clear();
        // 判斷ArrayList是否為空
        System.out.println("ArrayList is empty: "+ list.isEmpty());
    }
}