Java集合 ArrayList原理及使用
ArrayList是集合的一種實現，實現了介面List，List介面繼承了Collection介面。Collection是所有集合類的父類。ArrayList使用非常廣泛，不論是資料庫表查詢，excel匯入解析，還是網站資料爬取都需要使用到，瞭解ArrayList原理及使用方法顯得非常重要。
一. 定義一個ArrayList
//預設建立一個ArrayList集合 List<String> list = new ArrayList<>(); //建立一個初始化長度為100的ArrayList集合 List<String> initlist = new ArrayList<>(100); //將其他型別的集合轉為ArrayList List<String> setList = new ArrayList<>(new HashSet());
我們讀一下原始碼，看看定義ArrayList的過程到底做了什麼？
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable { /** * Default initial capacity. */ private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10; /** * Shared empty array instance used for empty instances. */ private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {}; /** * Shared empty array instance used for default sized empty instances. We * distinguish this from EMPTY_ELEMENTDATA to know how much to inflate when * first element is added. */ private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {}; /** * The array buffer into which the elements of the ArrayList are stored. * The capacity of the ArrayList is the length of this array buffer. Any * empty ArrayList with elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA * will be expanded to DEFAULT_CAPACITY when the first element is added. */ transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access /** * The size of the ArrayList (the number of elements it contains). * * @serial */ private int size; /** * Constructs an empty list with the specified initial capacity. * * @param initialCapacity the initial capacity of the list * @throws IllegalArgumentException if the specified initial capacity * is negative */ 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); } } /** * Constructs an empty list with an initial capacity of ten. */ public ArrayList() { this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA; } /** * Constructs a list containing the elements of the specified * collection, in the order they are returned by the collection's * iterator. * * @param c the collection whose elements are to be placed into this list * @throws NullPointerException if the specified collection is null */ public ArrayList(Collection<? extends E> c) { elementData = c.toArray(); if ((size = elementData.length) != 0) { // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652) if (elementData.getClass() != Object[].class) elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class); } else { // replace with empty array. this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA; } } }
其實原始碼裡面已經很清晰了，ArrayList非執行緒安全，底層是一個Object[]，新增到ArrayList中的資料儲存在了elementData屬性中。
當呼叫
new ArrayList<>()時，將一個空陣列{}賦值給了elementData，這個時候集合的長度size為預設長度0；當呼叫
new ArrayList<>(100)時，根據傳入的長度，new一個Object[100]賦值給elementData，當然如果玩兒的話，傳了一個0，那麼將一個空陣列{}賦值給了elementData；當呼叫new ArrayList<>(new HashSet())時，根據原始碼，我們可知，可以傳遞任何實現了Collection介面的類，將傳遞的集合呼叫toArray()方法轉為陣列內賦值給elementData;
注意：在傳入集合的ArrayList的構造方法中，有這樣一個判斷
if (elementData.getClass() != Object[].class)，
給出的註釋是：c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)，即呼叫toArray方法返回的不一定是Object[]型別，檢視ArrayList原始碼
public Object[] toArray() { return Arrays.copyOf(elementData, size);}我們發現返回的確實是Object[]，那麼為什麼還會有這樣的判斷呢？
如果有一個類CustomList繼承了ArrayList，然後重寫了toArray()方法呢。。
public class CustomList<E> extends ArrayList {
@Override
public Integer [] toArray() {
return new Integer[]{1,2};
};
public static void main(String[] args) {
Object[] elementData = new CustomList<Integer>().toArray();
System.out.println(elementData.getClass());
System.out.println(Object[].class);
System.out.println(elementData.getClass() == Object[].class);
}
}執行結果：
class [Ljava.lang.Integer;
class [Ljava.lang.Object;
false接著說，如果傳入的集合型別和我們定義用來儲存新增到集合中值的Object[]型別不一致時，ArrayList做了什麼處理？讀原始碼看到，呼叫了Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);，繼續往下走
public static <T,U> T[] copyOf(U[] original, int newLength, Class<? extends T[]> newType) {
T[] copy = ((Object)newType == (Object)Object[].class)
? (T[]) new Object[newLength]
: (T[]) Array.newInstance(newType.getComponentType(), newLength);
System.arraycopy(original, 0, copy, 0, Math.min(original.length, newLength));
return copy;
}我們發現定義了一個新的陣列，將原陣列的資料拷貝到了新的陣列中去。
二. ArrayList常用方法
ArrayList有很多常用方法，add，addAll，set，get，remove，size，isEmpty等
首先定義了一個ArrayList,
List<String> list = new ArrayList<>(10);
list.add('牛魔王');
list.add('蛟魔王');
...
list.add('美猴王');Object[] elementData中資料如下：
1. add(E element)
我們通過原始碼來看一下add("白骨精")到底發生了什麼
public boolean add(E e) {
ensureCapacityInternal(size + 1);
// Increments modCount!!
elementData[size++] = e;
return true;
}首先通過 ensureCapacityInternal(size + 1) 來保證底層Object[]陣列有足夠的空間存放新增的資料，然後將新增的資料存放到陣列對應的位置上，我們看一下是怎麼保證陣列有足夠的空間？
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
modCount++;
// overflow-conscious code
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}這裡首先確定了Object[]足夠存放新增資料的最小容量，然後通過 grow(int minCapacity) 來進行陣列擴容
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);
// minCapacity is usually close to size, so this is a win:
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}擴容規則為“陣列當前足夠的最小容量 + （陣列當前足夠的最小容量 / 2）”，即陣列當前足夠的最小容量 * 1.5，當然有最大值的限制。
因為最開始定義了集合容量為10，故而本次不會進行擴容，直接將第8個位置（從0開始，下標為7）設定為“白骨精”，這時Object[] elementData中資料如下：
還有和add()類似的方法。空間擴容原理都是一樣，如：
add("鐵扇", 0);//將陣列中的元素各自往後移動一位，再將“鐵扇”放到第一個位置上；
addAll(list..七個葫蘆娃);//將集合{七個葫蘆娃}放到"白骨精"後，很明顯當前陣列的容量已經不夠，需要擴容了，不執行該句程式碼了；
addAll(list..哪吒三兄弟, 4);//從第五個位置將“哪吒三兄弟”插進去，那麼陣列第五個位置後的元素都需往後移動三位，陣列按規則擴容為18。
指定了插入位置的，會通過rangeCheckForAdd(int index)方法判斷是否陣列越界
2. set(int index, E element)
因為ArrayList底層是由陣列實現的，set實現非常簡單，呼叫 set(8, "豬八戒") 通過傳入的數字下標找到對應的位置，替換其中的元素，前提也需要首先判斷傳入的陣列下標是否越界。將“獼猴王”替換為“豬八戒”。
public E set(int index, E element) {
rangeCheck(index);
E oldValue = elementData(index);
elementData[index] = element;
return oldValue;
}//返回值“獼猴王”，當前陣列中資料：
3. get(int index)
ArrayList中get方法也非常簡單，通過下標查詢即可，同時需要進行了型別轉換，因為陣列為Object[]，前提是需要判斷傳入的陣列下標是否越界。
public E get(int index) {
rangeCheck(index);
return elementData(index);
}
E elementData(int index) {
return (E) elementData[index];
}呼叫get(6)返回”哪吒“。
4. remove(int index)
首先說一下ArrayList通過下標刪除的方法，我們看一下原始碼
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; // clear to let GC do its work
return oldValue;
}通過原始碼我們可以看到首先獲取了待刪除的元素，並最終返回了。其次計算了陣列中需要移動的位數 size - index - 1，那麼很明顯我們可以得出待刪除的是最後一個元素的話，移到位數為0，否則移動位數大於0，那麼通過陣列元素的拷貝來實現往前移動相應位數。
如remove(10)，找到的元素為“美猴王”，那麼移動位數 = 12-10-1 = 1；此時將原本在第12個位置上（陣列下標為11）的“白骨精”往前移動一位，同時設定elementData[11] = null；這裡通過設定null值讓GC起作用。
5. remove(Object o)
刪除ArrayList中的值物件，其實和通過下標刪除很相似，只是多了一個步驟，遍歷底層陣列elementData，通過equals()方法或 == （特殊情況下）來找到要刪除的元素，獲取其下標，呼叫remove(int index)一樣的程式碼即可。
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;
}6. 其他方法
size() : 獲取集合長度，通過定義在ArrayList中的私有變數size得到
isEmpty()：是否為空，通過定義在ArrayList中的私有變數size得到
contains(Object o)：是否包含某個元素，通過遍歷底層陣列elementData，通過equals或==進行判斷
clear()：集合清空，通過遍歷底層陣列elementData，設定為null
三. 總結
本文主要講解了ArrayList原理，從底層陣列著手，講解了ArrayList定義時到底發生了什麼，再新增元素時，擴容規則如何，刪除元素時，陣列的元素的移動方式以及一些常用方法的用途，若有不對之處，請批評指正，望共同進步，謝謝