Java集合:ArrayList详解

简介: Java集合:ArrayList详解

概述


ArrayList是我们日常中最长用的集合之一,在使用列表时,除非特殊情况,我们一般都会选择使用ArrayList,本文就ArrayList的几个主要方法主要介绍,并结合几个图片来介绍几个重要操作。

 

基础属性


private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10; // 初始容量10
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};   // 空实例数组
// 默认大小的空实例数组,在第一次调用ensureCapacityInternal时会初始化长度为10
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};   
transient Object[] elementData; // 存放元素的数组
private int size;   // 数组当前的元素数量
public ArrayList(int initialCapacity) { // 带容量参数的构造方法
    if (initialCapacity > 0) {
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
    } else if (initialCapacity == 0) {
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    } else {
        throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                           initialCapacity);
    }
}
public ArrayList() {    // 不带容量参数则使用默认大小的空实例数组
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

一些基本属性,参考下图理解。

image.png

get方法


@SuppressWarnings("unchecked")
E elementData(int index) {
    return (E) elementData[index];
}
/**
 * Returns the element at the specified position in this list.
 *
 * @param  index index of the element to return
 * @return the element at the specified position in this list
 * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
 */
public E get(int index) {   // 根据索引获取元素
    rangeCheck(index);  // 校验索引是否越界
    return elementData(index);  // 直接根据index返回对应位置的元素(底层elementData是个数组)
}


很简单,由于底层是数组实现的,先检查下索引是否越界,然后直接返回对应索引位置的元素即可。

 

set方法


public E set(int index, E element) {    // 用指定的元素(element)替换指定位置(index)的元素
    rangeCheck(index);  // 校验索引是否越界
    E oldValue = elementData(index);    // 根据index获取指定位置的元素
    elementData[index] = element;   // 用传入的element替换index位置的元素
    return oldValue;    // 返回index位置原来的元素
}


  1. 校验索引是否越界
  2. 根据index获取指定位置的元素
  3. 用传入的element替换index位置的元素
  4. 返回index位置原来的元素

 

add方法


/**
 * Appends the specified element to the end of this list.
 *
 * @param e element to be appended to this list
 * @return <tt>true</tt> (as specified by {@link Collection#add})
 */
public boolean add(E e) {   // 增加一个元素
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // 将modCount+1,并校验添加元素后是否需要扩容
    elementData[size++] = e;    // 在数组尾部添加元素,并将size+1
    return true;
}
/**
 * Inserts the specified element at the specified position in this
 * list. Shifts the element currently at that position (if any) and
 * any subsequent elements to the right (adds one to their indices).
 *
 * @param index index at which the specified element is to be inserted
 * @param element element to be inserted
 * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
 */
public void add(int index, E element) { // 将指定的元素(element)插入此列表中的指定位置(index)。将index位置及后面的所有元素(如果有的话)向右移动一个位置
    rangeCheckForAdd(index);    // 校验索引是否越界
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // 将modCount+1,并校验添加元素后是否需要扩容
    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,    // 将index位置及之后的所有元素向右移动一个位置(为要添加的元素腾出1个位置)
                     size - index);
    elementData[index] = element;   // index位置设置为element元素
    size++; // 元素数量+1
}   


add(E e):


  1. 调用ensureCapacityInternal方法,将modCount+1,并校验添加元素后是否需要扩容。
  2. 在elementData数组尾部添加元素即可(size位置)。


add(int index, E element):


  1. 检查索引是否越界,再调用ensureCapacityInternal方法,将modCount+1,并校验添加元素后是否需要扩容。
  2. 将index位置及之后的所有元素向右移动一个位置(为要添加的元素腾出1个位置)。
  3. 将index位置设置为element元素,将size+1。
  4. add(int index, E element)的过程如下图所示。


image.png


remove方法


public E remove(int index) {    // 删除列表中index位置的元素,将index位置后面的所有元素向左移一个位置
    rangeCheck(index);  // 校验索引是否越界
    modCount++; // 修改次数+1
    E oldValue = elementData(index);    // index位置的元素,也就是将要被移除的元素
    int numMoved = size - index - 1;    // 计算需要移动的元素个数,例如:size为10,index为9,此时numMoved为0,则无需移动元素,因为此时index为9的元素刚好是最后一个元素,直接执行下面的代码,将索引为9的元素赋值为空即可
    if (numMoved > 0)   // 如果需要移动元素
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                         numMoved); // 将index+1位置及之后的所有元素,向左移动一个位置
    elementData[--size] = null; // 将size-1,并将size-1位置的元素赋值为空(因为上面将元素左移了,所以size-1位置的元素为重复的,将其移除)
    return oldValue;    // 返回index位置原来的元素
}
public boolean remove(Object o) {   // 如果存在与入参相同的元素,则从该列表中删除指定元素的第一个匹配项。如果列表不包含元素,则不变
    if (o == null) {    // 如果入参元素为空,则遍历数组查找是否存在元素为空,如果存在则调用fastRemove将该元素移除,并返回true表示移除成功
        for (int index = 0; index < size; index++)
            if (elementData[index] == null) {
                fastRemove(index);
                return true;
            }
    } else {    // 如果入参元素不为空,则遍历数组查找是否存在元素与入参元素使用equals比较返回true,如果存在则调用fastRemove将该元素移除,并返回true表示移除成功
        for (int index = 0; index < size; index++)
            if (o.equals(elementData[index])) {
                fastRemove(index);
                return true;
            }
    }
    return false;   // 不存在目标元素,返回false
}
/*
 * Private remove method that skips bounds checking and does not
 * return the value removed.
 */
private void fastRemove(int index) {    // 私有方法,供上面的remove方法调用,直接删除掉index位置的元素
    modCount++; // 修改次数+1
    int numMoved = size - index - 1; // 计算需要移动的元素个数,例如:size为10,index为9,此时numMoved为0,则无需移动元素,因为此时index为9的元素刚好是最后一个元素,直接执行下面的代码,将索引为9的元素赋值为空即可
    if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                         numMoved); // 将index+1位置及之后的所有元素,向左移动一个位置
    elementData[--size] = null; // 将size-1,并将size-1位置的元素赋值为空(因为上面将元素左移了,所以size-1位置的元素为重复的,将其移除)
}



remove(int index):


  1. 检查索引是否越界,将modCount+1,拿到索引位置index的原元素。
  2. 计算需要移动的元素个数。
  3. 如果需要移动,将index+1位置及之后的所有元素,向左移动一个位置。
  4. 将size-1位置的元素赋值为空(因为上面将元素左移了,所以size-1位置的元素为重复的,将其移除)。


remove(Object o):


  1. 如果入参元素为空,则遍历数组查找是否存在元素为空,如果存在则调用fastRemove将该元素移除,并返回true表示移除成功。
  2. 如果入参元素不为空,则遍历数组查找是否存在元素与入参元素使用equals比较返回true,如果存在则调用fastRemove将该元素移除,并返回true表示移除成功。
  3. 否则,不存在目标元素,则返回false。


fastRemove(int index):跟remove(int index)类似


  1. 将modCount+1,并计算需要移动的元素个数。
  2. 如果需要移动,将index+1位置及之后的所有元素,向左移动一个位置。
  3. 将size-1位置的元素赋值为空(因为上面将元素左移了,所以size-1位置的元素为重复的,将其移除)。


remove(int index)方法的过程如下图所示。

image.png

clear方法


/**
 * Removes all of the elements from this list.  The list will
 * be empty after this call returns.
 */
public void clear() {   // 删除此列表中的所有元素。
    modCount++; // 修改次数+1
    // clear to let GC do its work
    for (int i = 0; i < size; i++)  // 遍历数组将所有元素清空
        elementData[i] = null;
    size = 0;   // 元素数量赋0
}


遍历数组将所有元素清空即可。

 

扩容


上文add方法在添加元素之前会先调用ensureCapacityInternal方法,主要是有两个目的:1.如果没初始化则进行初始化;2.校验添加元素后是否需要扩容。


private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    // 校验当前数组是否为DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA,
    // 如果是则将minCapacity设为DEFAULT_CAPACITY,
    // 主要是给DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA设置初始容量
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) { 
        minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++; // 修改次数+1
    // 如果添加该元素后的大小超过数组大小,则进行扩容
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);  // 进行扩容
}
// 数组允许的最大长度
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8; 
private void grow(int minCapacity) {    // 数组扩容
    // overflow-conscious code
    int oldCapacity = elementData.length;   // 原来的容量
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // 新容量 = 老容量 + 老容量 / 2
    if (newCapacity - minCapacity < 0)  // 如果新容量比minCapacity小,
        newCapacity = minCapacity;  // 则将新容量设为minCapacity,兼容初始化情况
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)   // 如果新容量比最大允许容量大,
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);    // 则调用hugeCapacity方法设置一个合适的容量
    // 将原数组元素拷贝到一个容量为newCapacity的新数组(使用System.arraycopy),
    // 并且将elementData设置为新数组
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);  
}
private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
    if (minCapacity < 0) // overflow
        throw new OutOfMemoryError();   // 越界
    // 如果minCapacity大于MAX_ARRAY_SIZE,则返回Integer.MAX_VALUE,否则返回MAX_ARRAY_SIZE
    return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ? 
        Integer.MAX_VALUE :
        MAX_ARRAY_SIZE;
}


ensureCapacityInternal(int minCapacity):此方法就是为默认大小的空实例数组DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA而写的,判断数组是否为DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA,如果是则将minCapacity设置为DEFAULT_CAPACITY。

ensureExplicitCapacity(int minCapacity):将modCount+1,并校验minCapacity是否大于当前数组的容量,如果大于则调用grow方法进行扩容。

grow(int minCapacity):

  1. 将数组新容量设置为老容量的1.5倍。
  2. 两个if判断,第一个是对DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA初始化的兼容,第二个是对超过MAX_ARRAY_SIZE的兼容。
  3. 调用Arrays.copyOf方法创建长度为newCapacity的新数组,并将老数组的数据复制给新数组,并将elementData赋值为新数组。


grow(int minCapacity)的过程如下图所示。

image.png


ArrayList和LinkedList比较


LinkedList详解可以看我的另一篇文章:Java集合:LinkedList详解


  1. ArrayList底层基于动态数组实现,LinkedList底层基于链表实现
  2. 对于随机访问(get/set方法),ArrayList通过index直接定位到数组对应位置的节点,而LinkedList需要从头结点或尾节点开始遍历,直到寻找到目标节点,因此在效率上ArrayList优于LinkedList
  3. 对于插入和删除(add/remove方法),ArrayList需要移动目标节点后面的节点(使用System.arraycopy方法移动节点),而LinkedList只需修改目标节点前后节点的next或prev属性即可,因此在效率上LinkedList优于ArrayList。


参考


ArrayList源码(JDK 1.8)


—————END—————


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