JDK1.8源码(五)——java.util.ArrayList 类,java高级面试笔试题


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关于 JDK 的集合类的整体介绍可以看这张图,本篇博客我们不系统的介绍整个集合的构造,重点是介绍 ArrayList 类是如何实现的。

1、ArrayList 定义

ArrayList 是一个用数组实现的集合,支持随机访问,元素有序且可以重复。

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>

        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable



        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable

①、实现 RandomAccess 接口

这是一个标记接口,一般此标记接口用于 List 实现,以表明它们支持快速(通常是恒定时间)的随机访问。该接口的主要目的是允许通用算法改变其行为,以便在应用于随机或顺序访问列表时提供良好的性能。

比如在工具类 Collections(这个工具类后面会详细讲解)中,应用二分查找方法时判断是否实现了 RandomAccess 接口:

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1     int binarySearch(List<? extends Comparable<? super T>> list, T key) {

2         if (list instanceof RandomAccess || list.size()<BINARYSEARCH_THRESHOLD)

3             return Collections.indexedBinarySearch(list, key);

4         else

5             return Collections.iteratorBinarySearch(list, key);

6     }





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②、实现 Cloneable 接口

这个类是 java.lang.Cloneable,前面我们讲解深拷贝和浅拷贝的原理时,我们介绍了浅拷贝可以通过调用 Object.clone() 方法来实现,但是调用该方法的对象必须要实现 Cloneable 接口,否则会抛出 CloneNoSupportException异常。

Cloneable 和 RandomAccess 接口一样也是一个标记接口,接口内无任何方法体和常量的声明,也就是说如果想克隆对象,必须要实现 Cloneable 接口,表明该类是可以被克隆的。

③、实现 Serializable 接口

这个没什么好说的,也是标记接口,表示能被序列化。

④、实现 List 接口

这个接口是 List 类集合的上层接口,定义了实现该接口的类都必须要实现的一组方法,如下所示,下面我们会对这一系列方法的实现做详细介绍。

2、字段属性

        //集合的默认大小

        private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

        //空的数组实例

        private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

        //这也是一个空的数组实例,和EMPTY_ELEMENTDATA空数组相比是用于了解添加元素时数组膨胀多少

        private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

        //存储 ArrayList集合的元素,集合的长度即这个数组的长度

        //1、当 elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 时将会清空 ArrayList

        //2、当添加第一个元素时,elementData 长度会扩展为 DEFAULT_CAPACITY=10

        transient Object[] elementData;

        //表示集合的长度

        private int size;

3、构造函数



 

1     public ArrayList() {

2         this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;

3     }





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此无参构造函数将创建一个 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 声明的数组,注意此时初始容量是0,而不是大家以为的 10。

注意:根据默认构造函数创建的集合,ArrayList list = new ArrayList();此时集合长度是0.



 

    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);

        }

    }





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初始化集合大小创建 ArrayList 集合。当大于0时,给定多少那就创建多大的数组;当等于0时,创建一个空数组;当小于0时,抛出异常。



 

 1     public ArrayList(Collection<? extends E> c) {

 2         elementData = c.toArray();

 3         if ((size = elementData.length) != 0) {

 4             // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)

 5             if (elementData.getClass() != Object[].class)

 6                 elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);

 7         } else {

 8             // replace with empty array.

 9             this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;

10         }

11     }





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这是将已有的集合复制到 ArrayList 集合中去。

4、添加元素

通过前面的字段属性和构造函数,我们知道 ArrayList 集合是由数组构成的,那么向 ArrayList 中添加元素,也就是向数组赋值。我们知道一个数组的声明是能确定大小的,而使用 ArrayList 时,好像是能添加任意多个元素,这就涉及到数组的扩容。

扩容的核心方法就是调用前面我们讲过的Arrays.copyOf 方法,创建一个更大的数组,然后将原数组元素拷贝过去即可。下面我们看看具体实现:

    public boolean add(E e) {

        ensureCapacityInternal(size + 1);  //添加元素之前,首先要确定集合的大小

        elementData[size++] = e;

        return true;

    }

如上所示,在通过调用 add 方法添加元素之前,我们要首先调用 ensureCapacityInternal 方法来确定集合的大小,如果集合满了,则要进行扩容操作。



 

 1     private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {//这里的minCapacity 是集合当前大小+1

 2         //elementData 是实际用来存储元素的数组,注意数组的大小和集合的大小不是相等的,前面的size是指集合大小

 3         ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));

 4     }

 5     private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {

 6         if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {//如果数组为空,则从size+1的值和默认值10中取最大的

 7             return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);

 8         }

 9         return minCapacity;//不为空,则返回size+1

10     }

11     private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {

12         modCount++;

13 

14         // overflow-conscious code

15         if (minCapacity - elementData.length > 0)

16             grow(minCapacity);

17     }





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在 ensureExplicitCapacity 方法中,首先对修改次数modCount加一,这里的modCount给ArrayList的迭代器使用的,在并发操作被修改时,提供快速失败行为(保证modCount在迭代期间不变,否则抛出ConcurrentModificationException异常,可以查看源码865行),接着判断minCapacity是否大于当前ArrayList内部数组长度,大于的话调用grow方法对内部数组elementData扩容,grow方法代码如下:



 

 1     private void grow(int minCapacity) {

 2         int oldCapacity = elementData.length;//得到原始数组的长度

 3         int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);//新数组的长度等于原数组长度的1.5倍

 4         if (newCapacity - minCapacity < 0)//当新数组长度仍然比minCapacity小,则为保证最小长度,新数组等于minCapacity

 5             newCapacity = minCapacity;

 6         //MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8 = 2147483639

 7         if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)//当得到的新数组长度比 MAX_ARRAY_SIZE 大时,调用 hugeCapacity 处理大数组

 8             newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);

 9         //调用 Arrays.copyOf 将原数组拷贝到一个大小为newCapacity的新数组(注意是拷贝引用)

10         elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);

11     }

12     

13     private static int hugeCapacity(int minCapacity) {

14         if (minCapacity < 0) // 

15             throw new OutOfMemoryError();

16         return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ? //minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE,则新数组大小为Integer.MAX_VALUE

17             Integer.MAX_VALUE :

18             MAX_ARRAY_SIZE;

19     }





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对于 ArrayList 集合添加元素,我们总结一下:

①、当通过 ArrayList() 构造一个空集合,初始长度是为0的,第 1 次添加元素,会创建一个长度为10的数组,并将该元素赋值到数组的第一个位置。

②、第 2 次添加元素,集合不为空,而且由于集合的长度size+1是小于数组的长度10,所以直接添加元素到数组的第二个位置,不用扩容。

③、第 11 次添加元素,此时 size+1 = 11,而数组长度是10,这时候创建一个长度为10+10*0.5 = 15 的数组(扩容1.5倍),然后将原数组元素引用拷贝到新数组。并将第 11 次添加的元素赋值到新数组下标为10的位置。

④、第 Integer.MAX_VALUE - 8 = 2147483639,然后 2147483639%1.5=1431655759(这个数是要进行扩容) 次添加元素,为了防止溢出,此时会直接创建一个 1431655759+1 大小的数组,这样一直,每次添加一个元素,都只扩大一个范围。

⑤、第 Integer.MAX_VALUE - 7 次添加元素时,创建一个大小为 Integer.MAX_VALUE 的数组,在进行元素添加。

⑥、第 Integer.MAX_VALUE + 1 次添加元素时,抛出 OutOfMemoryError 异常。

注意:能向集合中添加 null 的,因为数组可以有 null 值存在。



 

1 Object[] obj = {null,1};

2 

3 ArrayList list = new ArrayList();

4 list.add(null);

5 list.add(1);

6 System.out.println(list.size());//2





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5、删除元素

①、根据索引删除元素



 

 1     public E remove(int index) {

 2         rangeCheck(index);//判断给定索引的范围,超过集合大小则抛出异常

 3 

 4         modCount++;

 5         E oldValue = elementData(index);//得到索引处的删除元素

 6 

 7         int numMoved = size - index - 1;

 8         if (numMoved > 0)//size-index-1 > 0 表示 0<= index < (size-1),即索引不是最后一个元素

 9             //通过 System.arraycopy()将数组elementData 的下标index+1之后长度为 numMoved的元素拷贝到从index开始的位置

10             System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,

11                              numMoved);

12         elementData[--size] = null; //将数组最后一个元素置为 null,便于垃圾回收

13 

14         return oldValue;

15     }





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remove(int index) 方法表示删除索引index处的元素,首先通过 rangeCheck(index) 方法判断给定索引的范围,超过集合大小则抛出异常;接着通过 System.arraycopy 方法对数组进行自身拷贝。关于这个方法的用法可以参考这篇博客

②、直接删除指定元素



 

 1     public boolean remove(Object o) {

 2         if (o == null) {//如果删除的元素为null

 3             for (int index = 0; index < size; index++)

 4                 if (elementData[index] == null) {

 5                     fastRemove(index);

 6                     return true;

 7                 }

 8         } else {//不为null,通过equals方法判断对象是否相等

 9             for (int index = 0; index < size; index++)

10                 if (o.equals(elementData[index])) {

11                     fastRemove(index);

12                     return true;

13                 }

14         }

15         return false;

16     }

17 

18 

19     private void fastRemove(int index) {

20         modCount++;

21         int numMoved = size - index - 1;

22         if (numMoved > 0)

23             System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,

24                              numMoved);

25         elementData[--size] = null; // 

26     }





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remove(Object o)方法是删除第一次出现的该元素。然后通过System.arraycopy进行数组自身拷贝。

6、修改元素

通过调用 set(int index, E element) 方法在指定索引 index 处的元素替换为 element。并返回原数组的元素。

1     public E set(int index, E element) {

2         rangeCheck(index);//判断索引合法性

3 

4         E oldValue = elementData(index);//获得原数组指定索引的元素

5         elementData[index] = element;//将指定所引处的元素替换为 element

6         return oldValue;//返回原数组索引元素

7     }

通过调用 rangeCheck(index) 来检查索引合法性。



 

    private void rangeCheck(int index) {

        if (index >= size)

            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));

    }





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当索引为负数时,会抛出 java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException 异常。当索引大于集合长度时,会抛出 IndexOutOfBoundsException 异常。

7、查找元素

①、根据索引查找元素



 

1     public E get(int index) {

2         rangeCheck(index);

3 

4         return elementData(index);

5     }





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同理,首先还是判断给定索引的合理性,然后直接返回处于该下标位置的数组元素。

②、根据元素查找索引



 

 1     public int indexOf(Object o) {

 2         if (o == null) {

 3             for (int i = 0; i < size; i++)

 4                 if (elementData[i]==null)

 5                     return i;

 6         } else {

 7             for (int i = 0; i < size; i++)

 8                 if (o.equals(elementData[i]))

 9                     return i;

10         }

11         return -1;

12     }





View Code

注意:indexOf(Object o) 方法是返回第一次出现该元素的下标,如果没有则返回 -1。

还有 lastIndexOf(Object o) 方法是返回最后一次出现该元素的下标。

8、遍历集合

①、普通 for 循环遍历

前面我们介绍查找元素时,知道可以通过get(int index)方法,根据索引查找元素,那么遍历同理:



 

1 ArrayList list = new ArrayList();

2 list.add("a");

3 list.add("b");

4 list.add("c");

5 for(int i = 0 ; i < list.size() ; i++){

6     System.out.print(list.get(i)+" ");

7 }





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②、迭代器 iterator

先看看具体用法:

1 ArrayList<String> list = new ArrayList<>();

2 list.add("a");

3 list.add("b");

4 list.add("c");

5 Iterator<String> it = list.iterator();

6 while(it.hasNext()){

7     String str = it.next();

8     System.out.print(str+" ");

9 }

在介绍 ArrayList 时,我们知道该类实现了 List 接口,而 List 接口又继承了 Collection 接口,Collection 接口又继承了 Iterable 接口,该接口有个 Iterator<T> iterator() 方法,能获取 Iterator 对象,能用该对象进行集合遍历,为什么能用该对象进行集合遍历?我们再看看 ArrayList 类中的该方法实现:

1     public Iterator<E> iterator() {

2         return new Itr();

3     }

该方法是返回一个 Itr 对象,这个类是 ArrayList 的内部类。



 

 1     private class Itr implements Iterator<E> {

 2         int cursor;       //游标, 下一个要返回的元素的索引

 3         int lastRet = -1; // 返回最后一个元素的索引; 如果没有这样的话返回-1.

 4         int expectedModCount = modCount;

 5 

 6         //通过 cursor != size 判断是否还有下一个元素

 7         public boolean hasNext() {

 8             return cursor != size;

 9         }

10 

11         @SuppressWarnings("unchecked")

12         public E next() {

13             checkForComodification();//迭代器进行元素迭代时同时进行增加和删除操作,会抛出异常

14             int i = cursor;

15             if (i >= size)

16                 throw new NoSuchElementException();

17             Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;

18             if (i >= elementData.length)

19                 throw new ConcurrentModificationException();

20             cursor = i + 1;//游标向后移动一位

21             return (E) elementData[lastRet = i];//返回索引为i处的元素,并将 lastRet赋值为i

22         }

23 

24         public void remove() {

25             if (lastRet < 0)

26                 throw new IllegalStateException();

27             checkForComodification();

28 

29             try {

30                 ArrayList.this.remove(lastRet);//调用ArrayList的remove方法删除元素

31                 cursor = lastRet;//游标指向删除元素的位置,本来是lastRet+1的,这里删除一个元素,然后游标就不变了

32                 lastRet = -1;//lastRet恢复默认值-1

33                 expectedModCount = modCount;//expectedModCount值和modCount同步,因为进行add和remove操作,modCount会加1

34             } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {

35                 throw new ConcurrentModificationException();

36             }

37         }

38 

39         @Override

40         @SuppressWarnings("unchecked")

41         public void forEachRemaining(Consumer<? super E> consumer) {//便于进行forEach循环

42             Objects.requireNonNull(consumer);

43             final int size = ArrayList.this.size;

44             int i = cursor;

45             if (i >= size) {

46                 return;

47             }

48             final Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;

49             if (i >= elementData.length) {

50                 throw new ConcurrentModificationException();

51             }

52             while (i != size && modCount == expectedModCount) {

53                 consumer.accept((E) elementData[i++]);

54             }

55             // update once at end of iteration to reduce heap write traffic

56             cursor = i;

57             lastRet = i - 1;

58             checkForComodification();

59         }

60 

61         //前面在新增元素add() 和 删除元素 remove() 时,我们可以看到 modCount++。修改set() 是没有的

62         //也就是说不能在迭代器进行元素迭代时进行增加和删除操作,否则抛出异常

63         final void checkForComodification() {

64             if (modCount != expectedModCount)

65                 throw new ConcurrentModificationException();

66         }

67     }





View Code

注意在进行 next() 方法调用的时候,会进行 checkForComodification() 调用,该方法表示迭代器进行元素迭代时,如果同时进行增加和删除操作,会抛出 ConcurrentModificationException 异常。比如:



 

 1 ArrayList<String> list = new ArrayList<>();

 2 list.add("a");

 3 list.add("b");

 4 list.add("c");

 5 Iterator<String> it = list.iterator();

 6 while(it.hasNext()){

 7     String str = it.next();

 8     System.out.print(str+" ");

 9     list.remove(str);//集合遍历时进行删除或者新增操作,都会抛出 ConcurrentModificationException 异常

10     //list.add(str);

11     list.set(0, str);//修改操作不会造成异常

12 }





View Code

解决办法是不调用 ArrayList.remove() 方法,转而调用 迭代器的 remove() 方法:



 

1 Iterator<String> it = list.iterator();

2 while(it.hasNext()){

3     String str = it.next();

4     System.out.print(str+" ");

5     //list.remove(str);//集合遍历时进行删除或者新增操作,都会抛出 ConcurrentModificationException 异常

6     it.remove();

7 }





View Code

注意:迭代器只能向后遍历,不能向前遍历,能够删除元素,但是不能新增元素。

③、迭代器的变种 forEach



 

1 ArrayList<String> list = new ArrayList<>();

2 list.add("a");

3 list.add("b");

4 list.add("c");

5 for(String str : list){

6     System.out.print(str + " ");

7 }





View Code

这种语法可以看成是 JDK 的一种语法糖,通过反编译 class 文件,我们可以看到生成的 java 文件,其具体实现还是通过调用 Iterator 迭代器进行遍历的。如下:



 

1         ArrayList list = new ArrayList();

2         list.add("a");

3         list.add("b");

4         list.add("c");

5         String str;

6         for (Iterator iterator1 = list.iterator(); iterator1.hasNext(); System.out.print((new StringBuilder(String.valueOf(str))).append(" ").toString()))

7             str = (String)iterator1.next();





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④、迭代器 ListIterator

还是先看看具体用法:



 

 1 ArrayList<String> list = new ArrayList<>();

 2 list.add("a");

 3 list.add("b");

 4 list.add("c");

 5 ListIterator<String> listIt = list.listIterator();

 6 

 7 //向后遍历

 8 while(listIt.hasNext()){

 9     System.out.print(listIt.next()+" ");//a b c

10 }

11 

12 //向后前遍历,此时由于上面进行了向后遍历,游标已经指向了最后一个元素,所以此处向前遍历能有值

13 while(listIt.hasPrevious()){

14     System.out.print(listIt.previous()+" ");//c b a

15 }





View Code

还能一边遍历,一边进行新增或者删除操作:



 

 1 ArrayList<String> list = new ArrayList<>();

 2 list.add("a");

 3 list.add("b");

 4 list.add("c");

 5 ListIterator<String> listIt = list.listIterator();

 6 

 7 //向后遍历

 8 while(listIt.hasNext()){

 9     System.out.print(listIt.next()+" ");//a b c

10     listIt.add("1");//在每一个元素后面增加一个元素 "1"

11 }

12 

13 //向后前遍历,此时由于上面进行了向后遍历,游标已经指向了最后一个元素,所以此处向前遍历能有值

14 while(listIt.hasPrevious()){

15     System.out.print(listIt.previous()+" ");//1 c 1 b 1 a 

16 }





View Code

也就是说相比于 Iterator 迭代器,这里的 ListIterator 多出了能向前迭代,以及能够新增元素。下面我们看看具体实现:

对于 Iterator 迭代器,我们查看 JDK 源码,发现还有 ListIterator 接口继承了 Iterator:

public interface ListIterator<E> extends Iterator<E> 

该接口有如下方法:

我们看在 ArrayList 类中,有如下方法可以获得 ListIterator 接口:

    public ListIterator<E> listIterator() {

        return new ListItr(0);

    }

这里的 ListItr 也是一个内部类。



 

 1     //注意 内部类 ListItr 继承了另一个内部类 Itr

 2     private class ListItr extends Itr implements ListIterator<E> {

 3         ListItr(int index) {//构造函数,进行游标初始化

 4             super();

 5             cursor = index;

 6         }

 7 

 8         public boolean hasPrevious() {//判断是否有上一个元素

 9             return cursor != 0;

10         }

11 

12         public int nextIndex() {//返回下一个元素的索引

13             return cursor;

14         }

15 

16         public int previousIndex() {//返回上一个元素的索引

17             return cursor - 1;

18         }

19 

20         //该方法获取当前索引的上一个元素

21         @SuppressWarnings("unchecked")

22         public E previous() {

23             checkForComodification();//迭代器进行元素迭代时同时进行增加和删除操作,会抛出异常

24             int i = cursor - 1;

25             if (i < 0)

26                 throw new NoSuchElementException();

27             Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;

28             if (i >= elementData.length)

29                 throw new ConcurrentModificationException();

30             cursor = i;//游标指向上一个元素

31             return (E) elementData[lastRet = i];//返回上一个元素的值

32         }

33 

34         

35         public void set(E e) {

36             if (lastRet < 0)

37                 throw new IllegalStateException();

38             checkForComodification();

39 

40             try {

41                 ArrayList.this.set(lastRet, e);

42             } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {

43                 throw new ConcurrentModificationException();

44             }

45         }

46 

47         //相比于迭代器 Iterator ,这里多了一个新增操作

48         public void add(E e) {

49             checkForComodification();

50 

51             try {

52                 int i = cursor;

53                 ArrayList.this.add(i, e);

54                 cursor = i + 1;

55                 lastRet = -1;

56                 expectedModCount = modCount;

57             } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {

58                 throw new ConcurrentModificationException();

59             }

60         }

61     }





View Code

9、SubList

在 ArrayList 中有这样一个方法:



 

1     public List<E> subList(int fromIndex, int toIndex) {

2         subListRangeCheck(fromIndex, toIndex, size);

3         return new SubList(this, 0, fromIndex, toIndex);

4     }





View Code

作用是返回从 fromIndex(包括) 开始的下标,到 toIndex(不包括) 结束的下标之间的元素视图。如下:



 

1 ArrayList<String> list = new ArrayList<>();

2 list.add("a");

3 list.add("b");

4 list.add("c");

5 

6 List<String> subList = list.subList(0, 1);

7 for(String str : subList){

8     System.out.print(str + " ");//a

9 }





View Code

这里出现了 SubList 类,这也是 ArrayList 中的一个内部类。

注意:返回的是原集合的视图,也就是说,如果对 subList 出来的集合进行修改或新增操作,那么原始集合也会发生同样的操作。



 

 1 ArrayList<String> list = new ArrayList<>();

 2 list.add("a");

 3 list.add("b");

 4 list.add("c");

 5 

 6 List<String> subList = list.subList(0, 1);

 7 for(String str : subList){

 8     System.out.print(str + " ");//a

 9 }

10 subList.add("d");

11 System.out.println(subList.size());//2

12 System.out.println(list.size());//4,原始集合长度也增加了





View Code

想要独立出来一个集合,解决办法如下:

List<String> subList = new ArrayList<>(list.subList(0, 1));

10、size()



 

    public int size() {

        return size;

    }





View Code

注意:返回集合的长度,而不是数组的长度,这里的 size 就是定义的全局变量。

11、isEmpty()



 

1     public boolean isEmpty() {

2         return size == 0;

3     }





View Code

返回 size == 0 的结果。

12、trimToSize()



 

1     public void trimToSize() {

2         modCount++;

3         if (size < elementData.length) {

4             elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);

5         }

6     }





View Code

该方法用于回收多余的内存。也就是说一旦我们确定集合不在添加多余的元素之后,调用 trimToSize() 方法会将实现集合的数组大小刚好调整为集合元素的大小。

注意:该方法会花时间来复制数组元素,所以应该在确定不会添加元素之后在调用。

参考文档:https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/util/ArrayList.html#


转载:https://www.cnblogs.com/ysocean/p/8622264.html

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转载自blog.csdn.net/bee_wa/article/details/89667117
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