概要
上一章，我们学习了Collection的架构。这一章开始，我们对Collection的具体实现类进行讲解；首先，讲解List，而List中ArrayList又最为常用。因此，本章我们讲解ArrayList。先对ArrayList有个整体认识，再学习它的源码，最后再通过例子来学习如何使用它。内容包括：
第3部分 ArrayList源码解析(基于JDK1.6.0_45)
第1部分 ArrayList介绍
ArrayList简介
ArrayList 是一个数组队列，相当于 动态数组。与Java中的数组相比，它的容量能动态增长。它继承于AbstractList，实现了List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable这些接口。
ArrayList 继承了AbstractList，实现了List。它是一个数组队列，提供了相关的添加、删除、修改、遍历等功能。
ArrayList 实现了RandmoAccess接口，即提供了随机访问功能。RandmoAccess是java中用来被List实现，为List提供快速访问功能的。在ArrayList中，我们即可以通过元素的序号快速获取元素对象；这就是快速随机访问。稍后，我们会比较List的“快速随机访问”和“通过Iterator迭代器访问”的效率。
ArrayList 实现了Cloneable接口，即覆盖了函数clone()，能被克隆。
ArrayList 实现java.io.Serializable接口，这意味着ArrayList支持序列化，能通过序列化去传输。
和Vector不同，ArrayList中的操作不是线程安全的！所以，建议在单线程中才使用ArrayList，而在多线程中可以选择Vector或者CopyOnWriteArrayList。
ArrayList构造函数
// 默认构造函数 ArrayList() // capacity是ArrayList的默认容量大小。当由于增加数据导致容量不足时，容量会添加上一次容量大小的一半。 ArrayList(int capacity) // 创建一个包含collection的ArrayList ArrayList(Collection<? extends E> collection)
ArrayList的API
// Collection中定义的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中定义的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数据结构
ArrayList的继承关系
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与Collection关系如下图：
ArrayList包含了两个重要的对象：elementData 和 size。
(01) elementData 是"Object[]类型的数组"，它保存了添加到ArrayList中的元素。实际上，elementData是个动态数组，我们能通过构造函数 ArrayList(int initialCapacity)来执行它的初始容量为initialCapacity；如果通过不含参数的构造函数ArrayList()来创建ArrayList，则elementData的容量默认是10。elementData数组的大小会根据ArrayList容量的增长而动态的增长，具体的增长方式，请参考源码分析中的ensureCapacity()函数。
(02) size 则是动态数组的实际大小。
第3部分 ArrayList源码解析(基于JDK1.6.0_45)
为了更了解ArrayList的原理，下面对ArrayList源码代码作出分析。ArrayList是通过数组实现的，源码比较容易理解。
package java.util; public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable { // 序列版本号 private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L; // 保存ArrayList中数据的数组 private transient Object[] elementData; // ArrayList中实际数据的数量 private int size; // ArrayList带容量大小的构造函数。 public ArrayList(int initialCapacity) { super(); if (initialCapacity < 0) throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+ initialCapacity); // 新建一个数组 this.elementData = new Object[initialCapacity]; } // ArrayList构造函数。默认容量是10。 public ArrayList() { this(10); } // 创建一个包含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); } // 将当前容量值设为 =实际元素个数 public void trimToSize() { modCount++; int oldCapacity = elementData.length; if (size < oldCapacity) { elementData = Arrays.copyOf(elementData, size); } } // 确定ArrarList的容量。 // 若ArrayList的容量不足以容纳当前的全部元素，设置 新的容量=“(原始容量x3)/2 + 1” public void ensureCapacity(int minCapacity) { // 将“修改统计数”+1 modCount++; int oldCapacity = elementData.length; // 若当前容量不足以容纳当前的元素个数，设置 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) { // 确定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的实际大小 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是否为空 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(从数组末尾向开始查找)，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数组 public Object[] toArray() { return Arrays.copyOf(elementData, size); } // 返回ArrayList的模板数组。所谓模板数组，即可以将T设为任意的数据类型 public <T> T[] toArray(T[] a) { // 若数组a的大小 < ArrayList的元素个数； // 则新建一个T[]数组，数组大小是“ArrayList的元素个数”，并将“ArrayList”全部拷贝到新数组中 if (a.length < size) return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass()); // 若数组a的大小 >= ArrayList的元素个数； // 则将ArrayList的全部元素都拷贝到数组a中。 System.arraycopy(elementData, 0, a, 0, size); if (a.length > size) a[size] = null; return a; } // 获取index位置的元素值 public E get(int index) { RangeCheck(index); return (E) elementData[index]; } // 设置index位置的值为element public E set(int index, E element) { RangeCheck(index); E oldValue = (E) elementData[index]; elementData[index] = element; return oldValue; } // 将e添加到ArrayList中 public boolean add(E e) { ensureCapacity(size + 1); // Increments modCount!! elementData[size++] = e; return true; } // 将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++; } // 删除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; } // 删除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; } // 快速删除第index个元素 private void fastRemove(int index) { modCount++; int numMoved = size - index - 1; // 从"index+1"开始，用后面的元素替换前面的元素。 if (numMoved > 0) System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved); // 将最后一个元素设为null elementData[--size] = null; // Let gc do its work } // 删除元素 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”，则删除，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，将全部的元素设为null public void clear() { modCount++; for (int i = 0; i < size; i++) elementData[i] = null; size = 0; } // 将集合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; } // 从index位置开始，将集合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; } // 删除fromIndex到toIndex之间的全部元素。 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); } // 克隆函数 public Object clone() { try { ArrayList<E> v = (ArrayList<E>) super.clone(); // 将当前ArrayList的全部元素拷贝到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的写入函数 // 将ArrayList的“容量，所有的元素值”都写入到输出流中 private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s) throws java.io.IOException{ // Write out element count, and any hidden stuff int expectedModCount = modCount; s.defaultWriteObject(); // 写入“数组的容量” s.writeInt(elementData.length); // 写入“数组的每一个元素” for (int i=0; i<size; i++) s.writeObject(elementData[i]); if (modCount != expectedModCount) { throw new ConcurrentModificationException(); } } // java.io.Serializable的读取函数：根据写入方式读出 // 先将ArrayList的“容量”读出，然后将“所有的元素值”读出 private void readObject(java.io.ObjectInputStream s) throws java.io.IOException, ClassNotFoundException { // Read in size, and any hidden stuff s.defaultReadObject(); // 从输入流中读取ArrayList的“容量” int arrayLength = s.readInt(); Object[] a = elementData = new Object[arrayLength]; // 从输入流中将“所有的元素值”读出 for (int i=0; i<size; i++) a[i] = s.readObject(); } }总结：
(01) ArrayList 实际上是通过一个数组去保存数据的。当我们构造ArrayList时；若使用默认构造函数，则ArrayList的默认容量大小是10。
(02) 当ArrayList容量不足以容纳全部元素时，ArrayList会重新设置容量：新的容量=“(原始容量x3)/2 + 1”。
(03) ArrayList的克隆函数，即是将全部元素克隆到一个数组中。
(04) ArrayList实现java.io.Serializable的方式。当写入到输出流时，先写入“容量”，再依次写入“每一个元素”；当读出输入流时，先读取“容量”，再依次读取“每一个元素”。
第4部分 ArrayList遍历方式
ArrayList支持3种遍历方式
(01) 第一种，通过迭代器遍历。即通过Iterator去遍历。
Integer value = null; Iterator iter = list.iterator(); while (iter.hasNext()) { value = (Integer)iter.next(); }(02) 第二种，随机访问，通过索引值去遍历。
由于ArrayList实现了RandomAccess接口，它支持通过索引值去随机访问元素。
Integer value = null; int size = list.size(); for (int i=0; i<size; i++) { value = (Integer)list.get(i); }(03) 第三种，for循环遍历。如下：
Integer value = null; for (Integer integ:list) { value = integ; }下面通过一个实例，比较这3种方式的效率，实例代码(ArrayListRandomAccessTest.java)如下：
import java.util.*; import java.util.concurrent.*; /* * @desc ArrayList遍历方式和效率的测试程序。 * * @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"); } }运行结果：
iteratorThroughRandomAccess：3 ms
iteratorThroughIterator：8 ms
iteratorThroughFor2：5 ms
由此可见，遍历ArrayList时，使用随机访问(即，通过索引序号访问)效率最高，而使用迭代器的效率最低！
第5部分 toArray()异常
当我们调用ArrayList中的 toArray()，可能遇到过抛出“java.lang.ClassCastException”异常的情况。下面我们说说这是怎么回事。
ArrayList提供了2个toArray()函数：
Object[] toArray() <T> T[] toArray(T[] contents)
调用 toArray() 函数会抛出“java.lang.ClassCastException”异常，但是调用 toArray(T[] contents) 能正常返回 T[]。
toArray() 会抛出异常是因为 toArray() 返回的是 Object[] 数组，将 Object[] 转换为其它类型(如如，将Object[]转换为的Integer[])则会抛出“java.lang.ClassCastException”异常，因为Java不支持向下转型。具体的可以参考前面ArrayList.java的源码介绍部分的toArray()。
解决该问题的办法是调用 <T> T[] toArray(T[] contents) ， 而不是 Object[] toArray()。
调用 toArray(T[] contents) 返回T[]的可以通过以下几种方式实现。
// toArray(T[] contents)调用方式一 public static Integer[] vectorToArray1(ArrayList<Integer> v) { Integer[] newText = new Integer[v.size()]; v.toArray(newText); return newText; } // toArray(T[] contents)调用方式二。最常用！ public static Integer[] vectorToArray2(ArrayList<Integer> v) { Integer[] newText = (Integer[])v.toArray(new Integer[0]); return newText; } // toArray(T[] contents)调用方式三 public static Integer[] vectorToArray3(ArrayList<Integer> v) { Integer[] newText = new Integer[v.size()]; Integer[] newStrings = (Integer[])v.toArray(newText); return newStrings; }第6部分 ArrayList示例
本文通过一个实例(ArrayListTest.java)，介绍 ArrayList 中常用API的用法。
import java.util.*; /* * @desc ArrayList常用API的测试程序 * @author skywang * @email kuiwu-wang@163.com */ public class ArrayListTest { public static void main(String[] args) { // 创建ArrayList ArrayList list = new ArrayList(); // 将“” list.add("1"); list.add("2"); list.add("3"); list.add("4"); // 将下面的元素添加到第1个位置 list.add(0, "5"); // 获取第1个元素 System.out.println("the first element is: "+ list.get(0)); // 删除“3” list.remove("3"); // 获取ArrayList的大小 System.out.println("Arraylist size=: "+ list.size()); // 判断list中是否包含"3" System.out.println("ArrayList contains 3 is: "+ list.contains(3)); // 设置第2个元素为10 list.set(1, "10"); // 通过Iterator遍历ArrayList for(Iterator iter = list.iterator(); iter.hasNext(); ) { System.out.println("next is: "+ iter.next()); } // 将ArrayList转换为数组 String[] arr = (String[])list.toArray(new String[0]); for (String str:arr) System.out.println("str: "+ str); // 清空ArrayList list.clear(); // 判断ArrayList是否为空 System.out.println("ArrayList is empty: "+ list.isEmpty()); } }运行结果：
the first element is: 5 Arraylist size=: 4 ArrayList contains 3 is: false next is: 5 next is: 10 next is: 2 next is: 4 str: 5 str: 10 str: 2 str: 4 ArrayList is empty: true
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