Java集合之List——ArrayList详解

简介

ArrayList是List接口的大小可变数组的实现类（容量可自动增长）；
ArrayList是非同步的；
ArrayList的iterator和listIterator方法返回的迭代器是fail-fast的。

源码解读

继承关系

1 2	public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable

结构图：
在这里插入图片描述
先简单介绍一下RandomAccess、Cloneable、Serializable三个接口：

RandomAccess：与使用效率相关，表明ArrayList支持快速（通常是固定时间）随机访问；

Cloneable：实现了该接口，就可以使用Object.clone方法，就是ArrayList的拷贝，返回类型为Object，注意写法的问题，测试代码如下：

public class Demo01 {
    public static void main(String[] args) {
    	Integer[] arr = new Integer[]{1, 44, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9};
    	//正确写法
        ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();
        Collections.addAll(list, arr);
        Object list2 = list.clone();
       /*错误写法
        List<Integer> list = new ArrayList<>();
        Collections.addAll(list, arr);
        Object list2 = list.clone();//报错，List中找不到clone方法
       */
    }
}

Serializable：表明该类具有序列化功能，该类可以被序列化。

再介绍一下AbstractList：

通过看源码发现这是一个抽象类，发现他又继承了一个抽象类AbstractCollection和实现了接口List（由上方结构图可以清晰看出）。
通过查阅资料，这么安排继承关系是因为，可以从以该类为父类的子类中抽取一些实现相同的方法，将其实现为一个抽象类，以达到代码复用和代码简洁的目的。
还有一个疑问是为什么抽象类AbstractCollection已经实现了接口List，ArrayList还要实现List接口呢？具体原因可见。
这里简单描述一下：开发collection 的作者Josh说这其实是一个mistake，因为他写这代码的时候觉得这个会有用处，但是其实并没什么用，但因为没什么影响，就一直留到了现在。
成员变量
仅介绍部分。
集合中所有元素均存储在数组中，类中的定义如下：
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transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
首先数组的权限设定为了Default，是为了方便内部类地使用；
其次用了关键字transient进行修饰，它表示该变量将不被序列化处理。具体可参考

1	private int size;//代表集合当前的大小

构造方法

public ArrayList();，构造一个初始容量为10的空列表
public ArrayList(int initialCapacity);，构造一个容量为initialCapacity（给定参数）的空列表
public ArrayList(Collection<? extends E> c);，构造一个包含指定集合元素的列表，其顺序由集合的迭代器返回

/**
 * Constructs an empty list with the specified initial capacity.
 * 构造一个具有给定容量大小的空列表
 * @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.
 * 构造一个容量为10的空列表
 */
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.
 * 即构造一个给定容器拷贝，元素顺序不变
 * @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;
    }
}

扩容机制

以下以add方法为例

public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // 保证容器大小够用
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

通过ensureCapacityInternal方法来保证内部容量足够容纳新添加的元素（可能是多个元素，如addAll方法）

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
       ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity)); //calculateCapacity返回添加元素后容器的最小容量
       //ensureExplicitCapacity先判断容器是否需要扩容，若需要扩容则调用扩容函数grow
   }

然后通过calculateCapacity方法来确定添加元素后容器的最小容量

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

再通过ensureExplicitCapacity方法判断容器是否需要扩容

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
       modCount++;
       // overflow-conscious code
       if (minCapacity - elementData.length > 0)
           grow(minCapacity);
   }

若需要扩容紧接着调用扩容方法grow

private void grow(int minCapacity) {
      // overflow-conscious code
       int oldCapacity = elementData.length;
       int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);//扩容后大小为原大小的1.5倍
       if (newCapacity - minCapacity < 0)
           newCapacity = minCapacity;
       if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
           newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);//判断是否超出数组最大容量，然后相应做处理
       // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
       elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
   }
   private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
       if (minCapacity < 0) // overflow
           throw new OutOfMemoryError();
       return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
           Integer.MAX_VALUE :
           MAX_ARRAY_SIZE;
   }

总结：ArrayList在每次插入新元素时，总是先保证容量够用，然后再插入新元素，而每次扩容为原容量的1.5倍。
关于为什么是1.5倍：如果扩容太多会导致空间的浪费，而扩容太少会导致频繁进行扩容，而1.5倍刚刚好，既能满足性能需求，也不会造成很大的内存消耗。

常用方法

添加元素

boolean add(E e) //将指定的元素追加到此列表的末尾。  
void add(int index, E element) //在此列表中的指定位置插入指定的元素。  
boolean addAll(Collection<? extends E> c) //按指定集合的Iterator返回的顺序将指定集合中的所有元素追加到此列表的末尾。  
boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) //将指定集合中的所有元素插入到此列表中，从指定的位置开始。

删除元素

E remove(int index) //删除该列表中指定位置的元素。  
boolean remove(Object o) //从列表中删除指定元素的第一个出现（如果存在）。  
boolean removeAll(Collection<?> c) //从此列表中删除指定集合中包含的所有元素，即集合取差集 。
boolean removeIf(Predicate<? super E> filter) //删除满足给定谓词的此集合的所有元素，利用正则表达式筛选出取出符合条件的。 
protected void removeRange(int fromIndex, int toIndex) //从这个列表中删除所有索引在 fromIndex （含）和 toIndex之间的元素。    
boolean retainAll(Collection<?> c) //仅保留此列表中包含在指定集合中的元素，集合取交集。

修改元素

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E set(int index, E element) //用指定的元素替换此列表中指定位置的元素。 
void replaceAll(UnaryOperator<E> operator) //将该列表的每个元素替换为将该运算符应用于该元素的结果。

获取元素

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E get(int index) //返回此列表中指定位置的元素。
int indexOf(Object o) //返回此列表中指定元素的第一次出现的索引，如果此列表不包含元素，则返回-1。    
int lastIndexOf(Object o) //返回此列表中指定元素的最后一次出现的索引，如果此列表不包含元素，则返回-1。

其它方法

void clear() //从列表中删除所有元素。  
boolean contains(Object o) //如果此列表包含指定的元素，则返回 true 。 
boolean isEmpty() //如果此列表不包含元素，则返回 true 。 
int size() //返回此列表中的元素数。
List<E> subList(int fromIndex, int toIndex) //返回此列表中指定的 fromIndex （包括）和 toIndex之间的独占视图。

效率分析

arrayList由于本质是数组，所以它在数据的查询方面会很快；而在插入删除元素过程时，如果操作在数组末尾，时间复杂度为O(1)，而在操作在指定位置，时间复杂度为O(n)，性能会下降很多，因为需要挪动元素。

综上ArrayList，在查询多，增删（在List前段位置）操作少时比较合适。