上一章，我們學習了Collection的架構。這一章開始，我們對Collection的具體實現類進行講解；首先，講解List，而List中ArrayList又最為常用。因此，本章我們講解ArrayList。先對ArrayList有個整體認識，再學習它的源碼，最后再通過例子來學習如何使用它。內容包括：
第1部分 ArrayList簡介
第2部分 ArrayList數據結構
第3部分 ArrayList源碼解析(基于JDK1.6.0_45)
第4部分 ArrayList遍歷方式
第5部分 toArray()異常
第6部分 ArrayList示例
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ArrayList簡介
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構造函數
// 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ArrayListArrayList(Collection<? extends E> collection)
ArrayList的API
// Collection中定義的APIboolean 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APIvoid 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APIObject clone()void ensureCapacity(int minimumCapacity)void trimToSize()void removeRange(int fromIndex, int toIndex)
ArrayList的繼承關系
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與Collection關系如下圖：
ArrayList包含了兩個重要的對象：elementData 和 size。
(01) elementData 是"Object[]類型的數組"，它保存了添加到ArrayList中的元素。實際上，elementData是個動態數組，我們能通過構造函數 ArrayList(int initialCapacity)來執行它的初始容量為initialCapacity；如果通過不含參數的構造函數ArrayList()來創建ArrayList，則elementData的容量默認是10。elementData數組的大小會根據ArrayList容量的增長而動態的增長，具體的增長方式，請參考源碼分析中的ensureCapacity()函數。
(02) size 則是動態數組的實際大小。
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。
1 package java.util; 2 3 public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> 4 implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable 5 { 6 // 序列版本號 7 PRivate static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L; 8 9 // 保存ArrayList中數據的數組 10 private transient Object[] elementData; 11 12 // ArrayList中實際數據的數量 13 private int size; 14 15 // ArrayList帶容量大小的構造函數。 16 public ArrayList(int initialCapacity) { 17 super(); 18 if (initialCapacity < 0) 19 throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+ 20 initialCapacity); 21 // 新建一個數組 22 this.elementData = new Object[initialCapacity]; 23 } 24 25 // ArrayList構造函數。默認容量是10。 26 public ArrayList() { 27 this(10); 28 } 29 30 // 創建一個包含collection的ArrayList 31 public ArrayList(Collection<? extends E> c) { 32 elementData = c.toArray(); 33 size = elementData.length; 34 // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652) 35 if (elementData.getClass() != Object[].class) 36 elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class); 37 } 38 39 40 // 將當前容量值設為 =實際元素個數 41 public void trimToSize() { 42 modCount++; 43 int oldCapacity = elementData.length; 44 if (size < oldCapacity) { 45 elementData = Arrays.copyOf(elementData, size); 46 } 47 } 48 49 50 // 確定ArrarList的容量。 51 // 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” 52 public void ensureCapacity(int minCapacity) { 53 // 將“修改統計數”+1 54 modCount++; 55 int oldCapacity = elementData.length; 56 // 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” 57 if (minCapacity > oldCapacity) { 58 Object oldData[] = elementData; 59 int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1; 60 if (newCapacity < minCapacity) 61 newCapacity = minCapacity; 62 elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); 63 } 64 } 65 66 // 添加元素e 67 public boolean add(E e) { 68 // 確定ArrayList的容量大小 69 ensureCapacity(size + 1); // Increments modCount!! 70 // 添加e到ArrayList中 71 elementData[size++] = e; 72 return true; 73 } 74 75 // 返回ArrayList的實際大小 76 public int size() { 77 return size; 78 } 79 80 // 返回ArrayList是否包含Object(o) 81 public boolean contains(Object o) { 82 return indexOf(o) >= 0; 83 } 84 85 // 返回ArrayList是否為空 86 public boolean isEmpty() { 87 return size == 0; 88 } 89 90 // 正向查找，返回元素的索引值 91 public int indexOf(Object o) { 92 if (o == null) { 93 for (int i = 0; i < size; i++) 94 if (elementData[i]==null) 95 return i; 96 } else { 97 for (int i = 0; i < size; i++) 98 if (o.equals(elementData[i])) 99 return i;100 }101 return -1;102 }103 104 // 反向查找，返回元素的索引值105 public int lastIndexOf(Object o) {106 if (o == null) {107 for (int i = size-1; i >= 0; i--)108 if (elementData[i]==null)109 return i;110 } else {111 for (int i = size-1; i >= 0; i--)112 if (o.equals(elementData[i]))113 return i;114 }115 return -1;116 }117 118 // 反向查找(從數組末尾向開始查找)，返回元素(o)的索引值119 public int lastIndexOf(Object o) {120 if (o == null) {121 for (int i = size-1; i >= 0; i--)122 if (elementData[i]==null)123 return i;124 } else {125 for (int i = size-1; i >= 0; i--)126 if (o.equals(elementData[i]))127 return i;128 }129 return -1;130 }131 132 133 // 返回ArrayList的Object數組134 public Object[] toArray() {135 return Arrays.copyOf(elementData, size);136 }137 138 // 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139 public <T> T[] toArray(T[] a) {140 // 若數組a的大小 < ArrayList的元素個數；141 // 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142 if (a.length < size)143 return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass());144 145 // 若數組a的大小 >= ArrayList的元素個數；146 // 則將ArrayList的全部元素都拷貝到數組a中。147 System.arraycopy(elementData, 0, a, 0, size);148 if (a.length > size)149 a[size] = null;150 return a;151 }152 153 // 獲取index位置的元素值154 public E get(int index) {155 RangeCheck(index);156 157 return (E) elementData[index];158 }159 160 // 設置index位置的值為element161 public E set(int index, E element) {162 RangeCheck(index);163 164 E oldValue = (E) elementData[index];165 elementData[index] = element;166 return oldValue;167 }168 169 // 將e添加到ArrayList中170 public boolean add(E e) {171 ensureCapacity(size + 1); // Increments modCount!!172 elementData[size++] = e;173 return true;174 }175 176 // 將e添加到ArrayList的指定位置177 public void add(int index, E element) {178 if (index > size || index < 0)179 throw new IndexOutOfBoundsException(180 "Index: "+index+", Size: "+size);181 182 ensureCapacity(size+1); // Increments modCount!!183 System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,184 size - index);185 elementData[index] = element;186 size++;187 }188 189 // 刪除ArrayList指定位置的元素190 public E remove(int index) {191 RangeCheck(index);192 193 modCount++;194 E oldValue = (E) elementData[index];195 196 int numMoved = size - index - 1;197 if (numMoved > 0)198 System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,199 numMoved);200 elementData[--size] = null; // Let gc do its work201 202 return oldValue;203 }204 205 // 刪除ArrayList的指定元素206 public boolean remove(Object o) {207 if (o == null) {208 for (int index = 0; index < size; index++)209 if (elementData[index] == null) {210 fastRemove(index);211 return true;212 }213 } else {214 for (int index = 0; index < size; index++)215 if (o.equals(elementData[index])) {216 fastRemove(index);217 return true;218 }219 }220 return false;221 }222 223 224 // 快速刪除第index個元素225 private void fastRemove(int index) {226 modCount++;227 int numMoved = size - index - 1;228 // 從"index+1"開始，用后面的元素替換前面的元素。229 if (numMoved > 0)230 System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,231 numMoved);232 // 將最后一個元素設為null233 elementData[--size] = null; // Let gc do its work234 }235 236 // 刪除元素237 public boolean remove(Object o) {238 if (o == null) {239 for (int index = 0; index < size; index++)240 if (elementData[index] == null) {241 fastRemove(index);242 return true;243 }244 } else {245 // 便利ArrayList，找到“元素o”，則刪除，并返回true。246 for (int index = 0; index < size; index++)247 if (o.equals(elementData[index])) {248 fastRemove(index);249 return true;250 }251 }252 return false;253 }254 255 // 清空ArrayList，將全部的元素設為null256 public void clear() {257 modCount++;258 259 for (int i = 0; i < size; i++)260 elementData[i] = null;261 262 size = 0;263 }264 265 // 將集合c追加到ArrayList中266 public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {267 Object[] a = c.toArray();268 int numNew = a.length;269 ensureCapacity(size + numNew); // Increments modCount270 System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);271 size += numNew;272 return numNew != 0;273 }274 275 // 從index位置開始，將集合c添加到ArrayList276 public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {277 if (index > size || index < 0)278 throw new IndexOutOfBoundsException(279 "Index: " + index + ", Size: " + size);280 281 Object[] a = c.toArray();282 int numNew = a.length;283 ensureCapacity(size + numNew); // Increments modCount284 285 int numMoved = size - index;286 if (numMoved > 0)287 System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew,288 numMoved);289 290 System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);291 size += numNew;292 return numNew != 0;293 }294 295 // 刪除fromIndex到toIndex之間的全部元素。296 protected void removeRange(int fromIndex, int toIndex) {297 modCount++;298 int numMoved = size - toIndex;299 System.arraycopy(elementData, toIndex, elementData, fromIndex,300 numMoved);301 302 // Let gc do its work303 int newSize = size - (toIndex-fromIndex);304 while (size != newSize)305 elementData[--size] = null;306 }307 308 private void RangeCheck(int index) {309 if (index >= size)310 throw new IndexOutOfBoundsException(311 "Index: "+index+", Size: "+size);312 }313 314 315 // 克隆函數316 public Object clone() {317 try {318 ArrayList<E> v = (ArrayList<E>) super.clone();319 // 將當前ArrayList的全部元素拷貝到v中320 v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);321 v.modCount = 0;322 return v;323 } catch (CloneNotSupportedException e) {324 // this shouldn't happen, since we are Cloneable325 throw new InternalError();326 }327 }328 329 330 // java.io.Serializable的寫入函數331 // 將ArrayList的“容量，所有的元素值”都寫入到輸出流中332 private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)333 throws java.io.IOException{334 // Write out element count, and any hidden stuff335 int expectedModCount = modCount;336 s.defaultWriteObject();337 338 // 寫入“數組的容量”339 s.writeInt(elementData.length);340 341 // 寫入“數組的每一個元素”342 for (int i=0; i<size; i++)343 s.writeObject(elementData[i]);344 345 if (modCount != expectedModCount) {346 throw new ConcurrentModificationException();347 }348 349 }350 351 352 // java.io.Serializable的讀取函數：根據寫入方式讀出353 // 先將ArrayList的“容量”讀出，然后將“所有的元素值”讀出354 private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)355 throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {356 // Read in size, and any hidden stuff357 s.defaultReadObject();358 359 // 從輸入流中讀取ArrayList的“容量”360 int arrayLength = s.readInt();361 Object[] a = elementData = new Object[arrayLength];362 363 // 從輸入流中將“所有的元素值”讀出364 for (int i=0; i<size; i++)365 a[i] = s.readObject();366 }367 }
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”。
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。
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。
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：
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：
1 import java.util.*; 2 import java.util.concurrent.*; 3 4 /* 5 * @desc ArrayList遍歷方式和效率的測試程序。 6 * 7 * @author skywang 8 */ 9 public class ArrayListRandomAccessTest {10 11 public static void main(String[] args) {12 List list = new ArrayList();13 for (int i=0; i<100000; i++)14 list.add(i);15 //isRandomAccessSupported(list);16 iteratorThroughRandomAccess(list) ;17 iteratorThroughIterator(list) ;18 iteratorThroughFor2(list) ;19 20 }21 22 private static void isRandomAccessSupported(List list) {23 if (list instanceof RandomAccess) {24 System.out.println("RandomAccess implemented!");25 } else {26 System.out.println("RandomAccess not implemented!");27 }28 29 }30 31 public static void iteratorThroughRandomAccess(List list) {32 33 long startTime;34 long endTime;35 startTime = System.currentTimeMillis();36 for (int i=0; i<list.size(); i++) {37 list.get(i);38 }39 endTime = System.currentTimeMillis();40 long interval = endTime - startTime;41 System.out.println("iteratorThroughRandomAccess：" + interval+" ms");42 }43 44 public static void iteratorThroughIterator(List list) {45 46 long startTime;47 long endTime;48 startTime = System.currentTimeMillis();49 for(Iterator iter = list.iterator(); iter.hasNext(); ) {50 iter.next();51 }52 endTime = System.currentTimeMillis();53 long interval = endTime - startTime;54 System.out.println("iteratorThroughIterator：" + interval+" ms");55 }56 57 58 public static void iteratorThroughFor2(List list) {59 60 long startTime;61 long endTime;62 startTime = System.currentTimeMillis();63 for(Object obj:list)64 ;65 endTime = System.currentTimeMillis();66 long interval = endTime - startTime;67 System.out.println("iteratorThroughFor2：" + interval+" ms");68 }69 }
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！
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。
// 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;}
本文通過一個實例(ArrayListTest.java)，介紹 ArrayList 中常用API的用法。
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()); }}
運行結果：
the first element is: 5Arraylist size=: 4ArrayList contains 3 is: falsenext is: 5next is: 10next is: 2next is: 4str: 5str: 10str: 2str: 4ArrayList is empty: true
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