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环境说明：Windows 10 + IntelliJ IDEA 2021.3.2 + Jdk 1.8

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前言

  在Java开发中，ArrayList是一种常见的数据结构。它可以动态地增加或删除元素，十分方便。但是，要想熟练掌握ArrayList的使用，不仅要了解常用的操作技巧和方法，还需要深入理解它的实现原理。本文就旨在帮助读者更好地掌握ArrayList，快速地进行开发。

摘要

  本文首先介绍了ArrayList的定义和特点，然后详细描述了它的常用操作技巧和方法，包括添加元素、删除元素、遍历元素、查找元素等。接下来，通过源代码解析让读者了解ArrayList的底层实现原理，进一步理解它的性能和使用限制。进一步，本文通过应用场景案例分析，探讨ArrayList的使用场景和优缺点，以帮助读者在实际开发中更好地选择数据结构。最后，通过测试用例和全文小结，对本文内容进行总结，让读者更好地掌握ArrayList的使用方法和技巧。

ArrayList

概述

  ArrayList是Java中的一个类，它继承了AbstractList类，并且实现了List接口。它是一个动态数组，数组长度可以动态增加和缩小，它可以对数组中的元素进行增、删、改、查等操作。ArrayList可以存储任意类型的对象。

特点

ArrayList的特点包括：

1. 可变长度：ArrayList的长度是可变的，可以动态增加或缩小。
2. 重复元素：ArrayList中可以存储重复的元素。
3. 线程不安全：ArrayList不是线程安全的，如果有多个线程同时访问同一个ArrayList实例，可能会出现竞争条件。
4. 非同步：ArrayList不是同步的，不保证多个线程并发访问时的安全性。
5. 查找元素效率高：通过索引可以快速查找元素，时间复杂度为O(1)。

源代码解析

  ArrayList的底层实现是基于数组的，具体来说，它是通过一个Object类型的数组来存储元素的。在第一次添加元素时，会创建一个默认长度为10的数组，当数组空间不足时，会创建一个长度为原来数组长度+原来数组长度/2的新数组，并将原来数组中的元素复制到新数组中。在删除元素时，会将该元素后面的所有元素前移，如果删除的元素位于数组中间，则需要复制这两部分，同时更新数组长度。

  ArrayList是Java集合框架中的一种数据结构，它基于数组实现，动态增长。下面是ArrayList的源代码解析：

1. 类型参数定义：

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

  可以看到ArrayList实现了List接口、RandomAccess接口以及Cloneable接口，并且继承了AbstractList抽象类。其中，E表示ArrayList中的元素类型。

  如下是部分源码截图：

1. 成员变量定义：

// 默认容量为10
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

// 所有元素
transient Object[] elementData;

// 数组实际数量
private int size;

// 可选的List迭代器
private static final class ListItr<E> extends Itr<E> implements ListIterator<E> {
   
   
    ...
}

  elementData数组存放ArrayList中的所有元素，size记录了当前存放元素的数量。

1. 构造函数定义：

// 无参构造函数，初始化为默认容量10
public ArrayList() {
   
   
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

// 带初始容量参数的构造函数
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);
    }
}

// 带集合参数的构造函数
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
   
   
    elementData = c.toArray();
    if ((size = elementData.length) != 0) {
   
   
        if (elementData.getClass() != Object[].class)
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
    } else {
   
   
        // 若集合为空，则初始化为默认容量
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
}

  ArrayList支持无参、带初始容量参数、带集合参数的构造函数。其中，无参构造函数初始化为默认容量10，带初始容量参数的构造函数会检查参数是否合法，如果小于等于0则抛出IllegalArgumentException异常，带集合参数的构造函数会将集合转化为数组并存放在elementData数组中。

1. 常用方法定义：

// 添加元素，支持链式调用
public boolean add(E e) {
   
   
    // 确保elementData数组可以存放新元素
    ensureCapacityInternal(size + 1); 
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

// 获取指定下标的元素
@SuppressWarnings("unchecked")
public E get(int index) {
   
   
    rangeCheck(index);
    return (E) elementData[index];
}

// 删除指定下标的元素
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; 

    return oldValue;
}

// 获取元素数量
public int size() {
   
   
    return size;
}

  其中，ensureCapacityInternal方法用于确保elementData数组容量足够存放新元素，rangeCheck方法用于检查下标是否越界，modCount记录集合结构修改次数。

1. 扩容机制

  在添加元素时，如果elementData数组容量不足，则需要扩容。扩容过程如下：

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);
    // 将原数组元素拷贝到新数组
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
   
   
    ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
   
   
    modCount++;

    // overflow-conscious code
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);
}

private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
   
   
    if (minCapacity < 0) // overflow
        throw new OutOfMemoryError();
    return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
        Integer.MAX_VALUE :
        MAX_ARRAY_SIZE;
}

private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
   
   
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
   
   
        return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    return minCapacity;
}

  grow方法用于扩容，将原数组容量增加一半并重新分配大小，如果新容量小于minCapacity，则将minCapacity赋值给新容量。如果新容量大于MAX_ARRAY_SIZE，则将新容量赋值为MAX_ARRAY_SIZE。然后将原数组元素拷贝到新数组中。ensureCapacityInternal方法用于确保elementData数组容量足够存放新元素。ensureExplicitCapacity方法用于确保elementData数组容量不小于minCapacity。calculateCapacity方法计算出需要的最小容量，如果elementData数组为空，则返回默认容量DEFAULT_CAPACITY和minCapacity中的较大值。

常用操作技巧和方法

添加元素

  在ArrayList中添加元素最基本的方法就是add()方法，该方法有两种重载形式，一种是无参的add()方法，一种是有参数的add(int index, E element)方法。无参的add()方法会在ArrayList的最后一位添加一个元素，而有参数的add(int index, E element)方法则可以将元素插入到指定的索引位置。

public boolean add(E e)
public void add(int index, E element)

  如下是部分源码截图：

删除元素

  在ArrayList中删除元素最常用的方法是remove()方法，该方法也有两种重载形式，一种是删除指定索引位置的元素，另一种是删除指定元素。需要注意的是，如果是使用remove(int index)方法删除元素，则会将该位置后面的所有元素向前移动一位，而如果是使用remove(Object o)方法，则会将第一个匹配到的元素删除。

public E remove(int index)
public boolean remove(Object o)

遍历元素

在ArrayList中遍历元素可以使用for循环和foreach语句，如下所示：

package com.example.javase.se.classes;

import java.util.ArrayList;

/**
 * @Author ms
 * @Date 2023-11-02 19:13
 */
public class ArrayListTest {
   
   

    public static void main(String[] args) {
   
   
        ArrayList<String> list = new ArrayList<String>();
        list.add("Java");
        list.add("Python");
        list.add("C++");

        // 使用for循环遍历元素
        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
   
   
            String element = list.get(i);
            System.out.println(element);
        }

        // 使用foreach语句遍历元素
        for (String element : list) {
   
   
            System.out.println(element);
        }
    }

}

测试结果

  根据如上测试用例，本地测试结果如下，仅供参考，你们也可以自行修改测试用例或者添加更多的测试数据或测试方法，进行熟练学习以此加深理解。

查找元素

  在ArrayList中查找元素可以使用indexOf()方法或contains()方法。其中，indexOf()方法返回该元素第一次出现的位置的索引值，如果没有找到该元素，则返回-1；contains()方法返回ArrayList中是否存在该元素，返回值为布尔型。

public int indexOf(Object o)
public boolean contains(Object o)

应用场景案例

场景一：存储简单数据类型

  在Java中，数组是一种非常基本的数据结构，可以用来存储简单数据类型，例如int、double、boolean等。但是，数组的长度是不可变的，如果需要动态增加或删除元素，就需要使用ArrayList。例如：

ArrayList<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
list.add(1);
list.add(2);
list.add(3);

场景二：实现栈和队列

  栈和队列是计算机科学中常见的数据结构。栈是一种LIFO（Last-In-First-Out）的数据结构，队列是一种FIFO（First-In-First-Out）的数据结构。借助ArrayList可以很容易地实现栈和队列。例如：

// 实现栈
ArrayList<Integer> stack = new ArrayList<Integer>();
stack.add(1);
stack.add(2);
stack.add(3);
Integer top = stack.remove(stack.size() - 1);

// 实现队列
ArrayList<Integer> queue = new ArrayList<Integer>();
queue.add(1);
queue.add(2);
queue.add(3);
Integer front = queue.remove(0);

优缺点分析

ArrayList的优点包括：

1. 索引快速查找：通过索引可以快速查找元素，时间复杂度为O(1)。
2. 可变长度：ArrayList的长度是可变的，可以动态增加或缩小。
3. 可存储任意类型的对象：ArrayList可以存储任意类型的对象，灵活性高。

ArrayList的缺点包括：

1. 不适合大量元素的添加和删除：由于ArrayList底层是基于数组实现的，因此在进行大量元素的添加或删除时，会存在数组复制的问题，影响性能。
2. 线程不安全：ArrayList不是线程安全的，如果有多个线程同时访问同一个ArrayList实例，可能会出现竞争条件。
3. 非同步：ArrayList不是同步的，不保证多个线程并发访问时的安全性。

类代码方法介绍

  在Java中，ArrayList是一个类，我们可以自己创建ArrayList对象并进行操作。ArrayList中的常用方法已经在前面进行了介绍，这里就不再赘述，但是需要注意的是，ArrayList继承了AbstractList类，并且实现了List接口，因此，它还有一些其他的方法，例如：

public boolean isEmpty()
public void clear()
public boolean equals(Object o)
public Object[] toArray()

测试用例

  在本文中，我们介绍了ArrayList的定义和特点，详细描述了它的常用操作技巧和方法，通过源代码解析让读者了解ArrayList的底层实现原理，通过应用场景案例分析，探讨ArrayList的使用场景和优缺点，以帮助读者在实际开发中更好地选择数据结构。下面，我们构建一个测试用例来检验ArrayList的操作是否正确：

package com.demo.javase.day58;

import java.util.ArrayList;

/**
 * @Author bug菌
 * @Date 2023-11-05 23:45
 */
public class ArrayListTest {
   
   

        public static void main(String[] args) {
   
   
            // 创建一个空的ArrayList对象
            ArrayList<String> list = new ArrayList<String>();

            // 添加元素
            list.add("Java");
            list.add("Python");
            list.add("C++");

            // 遍历元素
            for (String element : list) {
   
   
                System.out.println(element);
            }

            // 插入元素
            list.add(1, "JavaScript");

            // 删除元素
            list.remove("C++");

            // 查找元素
            boolean contains = list.contains("Java");
            int index = list.indexOf("Python");

            // 输出结果
            System.out.println(list);
            System.out.println("List contains Java? " + contains);
            System.out.println("Index of Python: " + index);
        }
    }

运行结果如下所示：

Java
Python
C++
[Java, JavaScript, Python]
List contains Java? true
Index of Python: 2

测试结果

  根据如上测试用例，本地测试结果如下，仅供参考，你们也可以自行修改测试用例或者添加更多的测试数据或测试方法，进行熟练学习以此加深理解。

  测试用例中，我们创建了一个空的ArrayList对象，并向其中添加了三个元素。接着，我们使用for-each语句遍历ArrayList中的所有元素，然后插入了一个新元素，并删除了一个元素。最后，我们使用contains()方法和indexOf()方法查找元素，并输出结果。可以看到，ArrayList的操作均正确无误。

测试代码分析

  根据如上测试用例，在此我给大家进行深入详细的解读一下测试代码，以便于更多的同学能够理解并加深印象。

这是一个用于演示 ArrayList 使用的 Java 类，主要实现了以下功能：

1. 创建一个空的 ArrayList 对象；
2. 向 ArrayList 中添加元素；
3. 遍历 ArrayList 中的元素；
4. 插入元素到指定位置；
5. 删除元素；
6. 查找元素在 ArrayList 中的位置。

  在 main 方法中，创建了一个空的 ArrayList 对象 list，并向其中添加了三个元素：Java、Python 和 C++。接着使用 for 循环遍历了 list 中的元素，并对每个元素进行了输出。然后调用了 list.add(1, "JavaScript") 方法，在 list 中第二个位置插入了一个元素 JavaScript。接着又调用了 list.remove("C++") 方法，将 list 中的 C++ 元素删除。最后通过 list.contains("Java") 方法查找元素 Java 是否在 list 中，并使用 list.indexOf("Python") 方法查找元素 Python 在 list 中的位置，将查找结果输出。

  总体来说，这个类演示了 ArrayList 的基本使用方法，包括添加、删除、插入和查找元素等。

总结

  本文详细介绍了Java中的ArrayList类，包括其定义和特点、常用操作技巧和方法、源代码解析、应用场景案例分析以及优缺点分析等方面。文章通过测试用例对ArrayList的操作进行了验证，并给读者提供了一些学习建议和推荐。通过本文的学习，读者可以更好地掌握ArrayList的使用方法和技巧，快速地进行开发。

  ...
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附录源码

  如上涉及所有源码均已上传同步在「Gitee」，提供给同学们一对一参考学习，辅助你更迅速的掌握。

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