1.ArrayList实现原理

1.ArrayList实现原理

1. ArrayList概述：

   ArrayList是List接口的可变数组的实现。实现了所有可选列表操作，并允许包括 null 在内的所有元素。除了实现 List 接口外，此类还提供一些方法来操作内部用来存储列表的数组的大小。

   每个ArrayList实例都有一个容量，该容量是指用来存储列表元素的数组的大小。它总是至少等于列表的大小。 随着向ArrayList中不断添加元素，其容量也自动增长。自动增长会带来数据向新数组的重新拷贝，因此， 如果可预知数据量的多少，可在构造ArrayList时指定其容量。在添加大量元素前，应用程序也可以使用 ensureCapacity操作来增加ArrayList实例的容量，这可以减少递增式再分配的数量,提高性能 

   注意，此实现不是同步的。如果多个线程同时访问一个ArrayList实例，而其中至少一个线程从结构上修改了列表，那么它必须保持外部同步。

 

2. ArrayList的实现：

   对于ArrayList而言，它实现List接口、底层使用数组保存所有元素。其操作基本上是对数组的操作。下面我们来分析ArrayList的源代码：

   1) 底层使用数组实现：

Java代码  

1. private transient Object[] elementData;  

    2) 构造方法： 
   ArrayList提供了三种方式的构造器，可以构造一个默认初始容量为10的空列表、构造一个指定初始容量的空列表以及构造一个包含指定collection的元素的列表，这些元素按照该collection的迭代器返回它们的顺序排列的。

Java代码  

1. public ArrayList() {  
2.     this(10);  
3. }  
4.   
5. public ArrayList(int initialCapacity) {  
6.     super();  
7.     if (initialCapacity < 0)  
8.         throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+ initialCapacity);  
9.     this.elementData = new Object[initialCapacity];  
10. }  
11.   
12. public ArrayList(Collection<? extends E> c) {  
13.     elementData = c.toArray();  
14.     size = elementData.length;  
15.     // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)  
16.     if (elementData.getClass() != Object[].class)  
17.         elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);  
18. }  

    3) 存储： 
   ArrayList提供了set(int index, E element)、add(E e)、add(int index, E element)、addAll(Collection<? extends E> c)、addAll(int index, Collection<? extends E> c)这些添加元素的方法。下面我们一一讲解：

Java代码  

1. // 用指定的元素替代此列表中指定位置上的元素，并返回以前位于该位置上的元素。  
2. public E set(int index, E element) {  
3.     RangeCheck(index);  
4.   
5.     E oldValue = (E) elementData[index];  
6.     elementData[index] = element;  
7.     return oldValue;  
8. }  

Java代码  

1. // 将指定的元素添加到此列表的尾部。  
2. public boolean add(E e) {  
3.     ensureCapacity(size + 1);   
4.     elementData[size++] = e;  
5.     return true;  
6. }  

Java代码  

1. // 将指定的元素插入此列表中的指定位置。  
2. // 如果当前位置有元素，则向右移动当前位于该位置的元素以及所有后续元素（将其索引加1）。  
3. public void add(int index, E element) {  
4.     if (index > size || index < 0)  
5.         throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+", Size: "+size);  
6.     // 如果数组长度不足，将进行扩容。  
7.     ensureCapacity(size+1);  // Increments modCount!!  
8.     // 将 elementData中从Index位置开始、长度为size-index的元素，  
9.     // 拷贝到从下标为index+1位置开始的新的elementData数组中。  
10.     // 即将当前位于该位置的元素以及所有后续元素右移一个位置。  
11.     System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index);  
12.     elementData[index] = element;  
13.     size++;  
14. }  

Java代码  

1. // 按照指定collection的迭代器所返回的元素顺序，将该collection中的所有元素添加到此列表的尾部。  
2. public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {  
3.     Object[] a = c.toArray();  
4.     int numNew = a.length;  
5.     ensureCapacity(size + numNew);  // Increments modCount  
6.     System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);  
7.     size += numNew;  
8.     return numNew != 0;  
9. }  

Java代码  

1. // 从指定的位置开始，将指定collection中的所有元素插入到此列表中。  
2. public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {  
3.     if (index > size || index < 0)  
4.         throw new IndexOutOfBoundsException(  
5.             "Index: " + index + ", Size: " + size);  
6.   
7.     Object[] a = c.toArray();  
8.     int numNew = a.length;  
9.     ensureCapacity(size + numNew);  // Increments modCount  
10.   
11.     int numMoved = size - index;  
12.     if (numMoved > 0)  
13.         System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew, numMoved);  
14.   
15.     System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);  
16.     size += numNew;  
17.     return numNew != 0;  
18. }  

    4) 读取：

Java代码  

1. // 返回此列表中指定位置上的元素。  
2. public E get(int index) {  
3.     RangeCheck(index);  
4.   
5.     return (E) elementData[index];  
6. }  

    5) 删除： 
   ArrayList提供了根据下标或者指定对象两种方式的删除功能。如下：

Java代码  

1. // 移除此列表中指定位置上的元素。  
2. public E remove(int index) {  
3.     RangeCheck(index);  
4.   
5.     modCount++;  
6.     E oldValue = (E) elementData[index];  
7.   
8.     int numMoved = size - index - 1;  
9.     if (numMoved > 0)  
10.         System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);  
11.     elementData[--size] = null; // Let gc do its work  
12.   
13.     return oldValue;  
14. }  

Java代码  

1. // 移除此列表中首次出现的指定元素（如果存在）。这是应为ArrayList中允许存放重复的元素。  
2. public boolean remove(Object o) {  
3.     // 由于ArrayList中允许存放null，因此下面通过两种情况来分别处理。  
4.     if (o == null) {  
5.         for (int index = 0; index < size; index++)  
6.             if (elementData[index] == null) {  
7.                 // 类似remove(int index)，移除列表中指定位置上的元素。  
8.                 fastRemove(index);  
9.                 return true;  
10.             }  
11. } else {  
12.     for (int index = 0; index < size; index++)  
13.         if (o.equals(elementData[index])) {  
14.             fastRemove(index);  
15.             return true;  
16.         }  
17.     }  
18.     return false;  
19. }  

    注意：从数组中移除元素的操作，也会导致被移除的元素以后的所有元素的向左移动一个位置。
   6) 调整数组容量： 
   从上面介绍的向ArrayList中存储元素的代码中，我们看到，每当向数组中添加元素时，都要去检查添加后元素的个数是否会超出当前数组的长度，如果超出，数组将会进行扩容，以满足添加数据的需求。数组扩容通过一个公开的方法ensureCapacity(int minCapacity)来实现。在实际添加大量元素前，我也可以使用ensureCapacity来手动增加ArrayList实例的容量，以减少递增式再分配的数量。

Java代码  

1. public void ensureCapacity(int minCapacity) {  
2.     modCount++;  
3.     int oldCapacity = elementData.length;  
4.     if (minCapacity > oldCapacity) {  
5.         Object oldData[] = elementData;  
6.         int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1;  
7.             if (newCapacity < minCapacity)  
8.                 newCapacity = minCapacity;  
9.       // minCapacity is usually close to size, so this is a win:  
10.       elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);  
11.     }  
12. }  

   从上述代码中可以看出， 数组进行扩容时，会将老数组中的元素重新拷贝一份到新的数组中， 每次数组容量的增长大约是其原容量的1.5倍。这种操作的代价是很高的，因此在实际使用时，我们应该 尽量避 免数组容量的扩张。 当我们可预知要保存的元素的多少时，要在构造ArrayList实例时，就指定其容量，以避免数组扩容的发生。或者根据实际需求，通过调用ensureCapacity方法来手动增加ArrayList实例的容量。ArrayList还给我们提供了将底层数组的容量调整为当前列表保存的实际元素的大小的功能。它可以通过trimToSize方法来实现。代码如下：

Java代码  

1. public void trimToSize() {  
2.     modCount++;  
3.     int oldCapacity = elementData.length;  
4.     if (size < oldCapacity) {  
5.         elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);  
6.     }  
7. }  

   7) Fail-Fast机制： 
ArrayList也采用了快速失败的机制，通过记录modCount参数来实现。在面对并发的修改时，迭代器很快就会完全失败，而不是冒着在将来某个不确定时间发生任意不确定行为的风险。具体介绍请参考我之前的文章深入Java集合学习系列：HashMap的实现原理 中的Fail-Fast机制。

   8) 关于其他 的一些方法的实现都很简单易懂，读者可参照API文档和源代码，一看便知，这里就不再多说。

ArrayList 使用详解

1、什么是ArrayList 
ArrayList就是传说中的动态数组，用MSDN中的说法，就是Array的复杂版本，它提供了如下一些好处： 
动态的增加和减少元素 
实现了ICollection和IList接口 
灵活的设置数组的大小

2、如何使用ArrayList 
最简单的例子： 
ArrayList List = new ArrayList(); 
for( int i=0;i <10;i++ ) //给数组增加10个Int元素 
List.Add(i); 
//..程序做一些处理 
List.RemoveAt(5);//将第6个元素移除 
for( int i=0;i <3;i++ ) //再增加3个元素 
List.Add(i+20); 
Int32[] values = (Int32[])List.ToArray(typeof(Int32));//返回ArrayList包含的数组

这是一个简单的例子，虽然没有包含ArrayList所有的方法，但是可以反映出ArrayList最常用的用法

3、ArrayList重要的方法和属性 
1）构造器 
ArrayList提供了三个构造器： 
public ArrayList(); 
默认的构造器，将会以默认（16）的大小来初始化内部的数组 
public ArrayList(ICollection); 
用一个ICollection对象来构造，并将该集合的元素添加到ArrayList 
public ArrayList(int); 
用指定的大小来初始化内部的数组

2）IsSynchronized属性和ArrayList.Synchronized方法 
IsSynchronized属性指示当前的ArrayList实例是否支持线程同步，而ArrayList.Synchronized静态方法则会返回一个ArrayList的线程同步的封装。 
如果使用非线程同步的实例，那么在多线程访问的时候，需要自己手动调用lock来保持线程同步，例如： 
ArrayList list = new ArrayList(); 
//... 
lock( list.SyncRoot ) //当ArrayList为非线程包装的时候，SyncRoot属性其实就是它自己，但是为了满足ICollection的SyncRoot定义，这里还是使用SyncRoot来保持源代码的规范性 
{ 
list.Add( “Add a Item” ); 
}

如果使用ArrayList.Synchronized方法返回的实例，那么就不用考虑线程同步的问题，这个实例本身就是线程安全的，实际上ArrayList内部实现了一个保证线程同步的内部类，ArrayList.Synchronized返回的就是这个类的实例，它里面的每个属性都是用了lock关键字来保证线程同步。

3）Count属性和Capacity属性 

Count属性是目前ArrayList包含的元素的数量，这个属性是只读的。 
Capacity属性是目前ArrayList能够包含的最大数量，可以手动的设置这个属性，但是当设置为小于Count值的时候会引发一个异常。

4）Add、AddRange、Remove、RemoveAt、RemoveRange、Insert、InsertRange 
这几个方法比较类似 
Add方法用于添加一个元素到当前列表的末尾 
AddRange方法用于添加一批元素到当前列表的末尾 
Remove方法用于删除一个元素，通过元素本身的引用来删除 
RemoveAt方法用于删除一个元素，通过索引值来删除 
RemoveRange用于删除一批元素，通过指定开始的索引和删除的数量来删除 
Insert用于添加一个元素到指定位置，列表后面的元素依次往后移动 
InsertRange用于从指定位置开始添加一批元素，列表后面的元素依次往后移动

另外，还有几个类似的方法： 
Clear方法用于清除现有所有的元素 
Contains方法用来查找某个对象在不在列表之中

其他的我就不一一累赘了，大家可以查看MSDN，上面讲的更仔细 
5）TrimSize方法 
这个方法用于将ArrayList固定到实际元素的大小，当动态数组元素确定不在添加的时候，可以调用这个方法来释放空余的内存。 
6）ToArray方法 
这个方法把ArrayList的元素Copy到一个新的数组中。 
4、ArrayList与数组转换 
例1： 
ArrayList List = new ArrayList(); 
List.Add(1); 
List.Add(2); 
List.Add(3);

Int32[] values = (Int32[])List.ToArray(typeof(Int32));

例2： 
ArrayList List = new ArrayList(); 
List.Add(1); 
List.Add(2); 
List.Add(3);

Int32[] values = new Int32[List.Count]; 
List.CopyTo(values);

上面介绍了两种从ArrayList转换到数组的方法

例3： 
ArrayList List = new ArrayList(); 
List.Add( “string” ); 
List.Add( 1 ); 
//往数组中添加不同类型的元素

object[] values = List.ToArray(typeof(object)); //正确 
string[] values = (string[])List.ToArray(typeof(string)); //错误

和数组不一样，因为可以转换为Object数组，所以往ArrayList里面添加不同类型的元素是不会出错的，但是当调用ArrayList方法的时候，要么传递所有元素都可以正确转型的类型或者Object类型，否则将会抛出无法转型的异常。

5、ArrayList最佳使用建议 
这一节我们来讨论ArrayList与数组的差别，以及ArrayList的效率问题 
1）ArrayList是Array的复杂版本 
ArrayList内部封装了一个Object类型的数组，从一般的意义来说，它和数组没有本质的差别，甚

定到实际元素的大小，当动态数组元素确定不在添加的时候，可以调用这个方法来释放空余的内存。 
6）ToArray方法 
这个方法把ArrayList的元素Copy到一个新的数组中。 
4、ArrayList与数组转换 
例1： 
ArrayList List = new ArrayList(); 
List.Add(1); 
List.Add(2); 
List.Add(3);

Int32[] values = (Int32[])List.ToArray(typeof(Int32));

例2： 
ArrayList List = new ArrayList(); 
List.Add(1); 
List.Add(2); 
List.Add(3);

Int32[] values = new Int32[List.Count]; 
List.CopyTo(values);

上面介绍了两种从ArrayList转换到数组的方法

例3： 
ArrayList List = new ArrayList(); 
List.Add( “string” ); 
List.Add( 1 ); 
//往数组中添加不同类型的元素

object[] values = List.ToArray(typeof(object)); //正确 
string[] values = (string[])List.ToArray(typeof(string)); //错误

和数组不一样，因为可以转换为Object数组，所以往ArrayList里面添加不同类型的元素是不会出错的，但是当调用ArrayList方法的时候，要么传递所有元素都可以正确转型的类型或者Object类型，否则将会抛出无法转型的异常。

5、ArrayList最佳使用建议 
这一节我们来讨论ArrayList与数组的差别，以及ArrayList的效率问题 
1）ArrayList是Array的复杂版本 
ArrayList内部封装了一个Object类型的数组，从一般的意义来说，它和数组没有本质的差别，甚至于ArrayList的许多方法，如Index、IndexOf、Contains、Sort等都是在内部数组的基础上直接调用Array的对应方法。 
2）内部的Object类型的影响 
对于一般的引用类型来说，这部分的影响不是很大，但是对于值类型来说，往ArrayList里面添加和修改元素，都会引起装箱和拆箱的操作，频繁的操作可能会影响一部分效率。 
但是恰恰对于大多数人，多数的应用都是使用值类型的数组。 
消除这个影响是没有办法的，除非你不用它，否则就要承担一部分的效率损失，不过这部分的损失不会很大。 
3）数组扩容 
这是对ArrayList效率影响比较大的一个因素。 
每当执行Add、AddRange、Insert、InsertRange等添加元素的方法，都会检查内部数组的容量是否不够了，如果是，它就会以当前容量的两倍来重新构建一个数组，将旧元素Copy到新数组中，然后丢弃旧数组，在这个临界点的扩容操作，应该来说是比较影响效率的。 
例1：比如，一个可能有200个元素的数据动态添加到一个以默认16个元素大小创建的ArrayList中，将会经过： 
16*2*2*2*2 = 256 
四次的扩容才会满足最终的要求，那么如果一开始就以： 
ArrayList List = new ArrayList( 210 ); 
的方式创建ArrayList，不仅会减少4次数组创建和Copy的操作，还会减少内存使用。

例2：预计有30个元素而创建了一个ArrayList： 
ArrayList List = new ArrayList(30); 
在执行过程中，加入了31个元素，那么数组会扩充到60个元素的大小，而这时候不会有新的元素再增加进来，而且有没有调用TrimSize方法，那么就有1次扩容的操作，并且浪费了29个元素大小的空间。如果这时候，用： 
ArrayList List = new ArrayList(40); 
那么一切都解决了。 
所以说，正确的预估可能的元素，并且在适当的时候调用TrimSize方法是提高ArrayList使用效率的重要途径。 
4）频繁的调用IndexOf、Contains等方法（Sort、BinarySearch等方

法经过优化，不在此列）引起的效率损失 
首先，我们要明确一点，ArrayList是动态数组，它不包括通过Key或者Value快速访问的算法，所以实际上调用IndexOf、Contains等方法是执行的简单的循环来查找元素，所以频繁的调用此类方法并不比你自己写循环并且稍作优化来的快，如果有这方面的要求，建议使用Hashtable或SortedList等键值对的集合。 
ArrayList al=new ArrayList();

al.Add("How"); 
al.Add("are"); 
al.Add("you!");

al.Add(100); 
al.Add(200); 
al.Add(300);

al.Add(1.2); 
al.Add(22.8);

使用ArrayList类
ArrayList类实现了List接口，由ArrayList类实现的List集合采用数组结构保存对象。数组结构的优点是便于对集合进行快速的随机访问，如果经常需要根据索引位置访问集合中的对象，使用由ArrayList类实现的List集合的效率较好。数组结构的缺点是向指定索引位置插入对象和删除指定索引位置对象的速度较慢，如果经常需要向List集合的指定索引位置插入对象，或者是删除List集合的指定索引位置的对象，使用由ArrayList类实现的List集合的效率则较低，并且插入或删除对象的索引位置越小效率越低，原因是当向指定的索引位置插入对象时，会同时将指定索引位置及之后的所有对象相应的向后移动一位，如图1所示。当删除指定索引位置的对象时，会同时将指定索引位置之后的所有对象相应的向前移动一位，如图2所示。如果在指定的索引位置之后有大量的对象，将严重影响对集合的操作效率。

图1  向由ArrayList类实现的List集合中插入对象

图2  从由ArrayList类实现的List集合中删除对象
就是因为用ArrayList类实现的List集合在插入和删除对象时存在这样的缺点，在编写例程06时才没有利用ArrayList类实例化List集合，下面看一个模仿经常需要随机访问集合中对象的例子。
在编写该例子时，用到了java.lang.Math类的random()方法，通过该方法可以得到一个小于10的double型随机数，将该随机数乘以5后再强制转换成整数，将得到一个0到4的整数，并随机访问由ArrayList类实现的List集合中该索引位置的对象，具体代码如下：
src\com\mwq\TestCollection.java关键代码：
public static void main(String[] args) {
String a = "A", b = "B", c = "C", d = "D", e = "E";
List<String> list = new ArrayList<String>();
list.add(a);      // 索引位置为 0
list.add(b);      // 索引位置为 1
list.add(c);      // 索引位置为 2
list.add(d);      // 索引位置为 3
list.add(e);      // 索引位置为 4
System.out.println(list.get((int) (Math.random() * 5)));     // 模拟随机访问集合中的对象
}

我实际中的练习例子：

[java]  view plain copy

1. package code;  
2. import java.util.ArrayList;  
3. import java.util.Iterator;  
4. public class SimpleTest {  
5.    
6.    
7.  public static void main(String []args){  
8.     
9.   ArrayList list1 = new ArrayList();    
10.   list1.add("one");  
11.   list1.add("two");  
12.   list1.add("three");  
13.   list1.add("four");  
14.   list1.add("five");  
15.   list1.add(0,"zero");    
16.   System.out.println("<--list1中共有>" + list1.size()+ "个元素");    
17.   System.out.println("<--list1中的内容:" + list1 + "-->");  
18.     
19.   ArrayList list2 = new ArrayList();  
20.   list2.add("Begin");  
21.   list2.addAll(list1);  
22.   list2.add("End");  
23.   System.out.println("<--list2中共有>" + list2.size()+ "个元素");    
24.   System.out.println("<--list2中的内容:" + list2 + "-->");  
25.     
26.   ArrayList list3 =  new ArrayList();  
27.   list3.removeAll(list1);  
28.   System.out.println("<--list3中是否存在one: "+ (list3.contains("one")? "是":"否")+ "-->");  
29.     
30.   list3.add(0,"same element");  
31.   list3.add(1,"same element");  
32.   System.out.println("<--list3中共有>" + list3.size()+ "个元素");    
33.   System.out.println("<--list3中的内容:" + list3 + "-->");  
34.   System.out.println("<--list3中第一次出现same element的索引是" + list3.indexOf("same element") + "-->");  
35.   System.out.println("<--list3中最后一次出现same element的索引是" + list3.lastIndexOf("same element") + "-->");  
36.     
37.     
38.   System.out.println("<--使用Iterator接口访问list3->");  
39.   Iterator it = list3.iterator();  
40.   while(it.hasNext()){  
41.    String str = (String)it.next();  
42.    System.out.println("<--list3中的元素:" + list3 + "-->");  
43.   }  
44.     
45.   System.out.println("<--将list3中的same element修改为another element-->");  
46.   list3.set(0,"another element");  
47.   list3.set(1,"another element");  
48.      System.out.println("<--将list3转为数组-->");  
49.     // Object []  array =(Object[]) list3.toArray(new   Object[list3.size()] );  
50.      Object [] array = list3.toArray();  
51.      for(int i = 0; i < array.length ; i ++){  
52.       String str = (String)array[i];  
53.       System.out.println("array[" + i + "] = "+ str);        
54.      }       
55.        
56.      System.out.println("<---清空list3->");  
57.      list3.clear();  
58.      System.out.println("<--list3中是否为空: " + (list3.isEmpty()?"是":"否") + "-->");  
59.      System.out.println("<--list3中共有>" + list3.size()+ "个元素");   
60.     
61.   //System.out.println("hello world!");  
62.  }  
63. }