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一、ArrayList介紹

ArrayList是一種線性數(shù)據(jù)結構，它的底層是用數(shù)組實現(xiàn)的，相當于動態(tài)數(shù)組。與Java中的數(shù)組相比，它的容量能動態(tài)增長。類似于C語言中的動態(tài)申請內存，動態(tài)增長內存。?
當創(chuàng)建一個數(shù)組的時候，就必須確定它的大小，系統(tǒng)會在內存中開辟一塊連續(xù)的空間，用來保存數(shù)組，因此數(shù)組容量固定且無法動態(tài)改變。ArrayList在保留數(shù)組可以快速查找的優(yōu)勢的基礎上，彌補了數(shù)組在創(chuàng)建后，要往數(shù)組添加元素的弊端。實現(xiàn)的基本方法如下：?
1. 快速查找：在物理內存上采用順序存儲結構，因此可根據(jù)索引快速的查找元素。?
2. 容量動態(tài)增長： 當數(shù)組容量不夠用時（表1），創(chuàng)建一個比原數(shù)組容量大的新數(shù)組（表2），將數(shù)組中的元素“搬”到新數(shù)組（表3），再將新的元素也放入新數(shù)組（表4），最后將新數(shù)組賦給原數(shù)組即可。（從左到右依次為表1，表2、表3、表4）

二、ArrayList繼承關系

ArrayList繼承于AbstractList，實現(xiàn)了List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable這些接口。?
實現(xiàn)了所有List接口的操作，并ArrayList允許存儲null值。除了沒有進行同步，ArrayList基本等同于Vector。在Vector中幾乎對所有的方法都進行了同步，但ArrayList僅對writeObject和readObject進行了同步，其它比如add(Object)、remove(int)等都沒有同步。

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

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ArrayList與Collection關系如下圖，實線代表繼承，虛線代表實現(xiàn)接口：?

AbstractList提供了List接口的默認實現(xiàn)（個別方法為抽象方法）。

List接口定義了列表必須實現(xiàn)的方法。

實現(xiàn)了RandomAccess接口：提供了隨機訪問功能。RandmoAccess是java中用來被List實現(xiàn)，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。

實現(xiàn)了Cloneable接口：可以調用Object.clone方法返回該對象的淺拷貝。

實現(xiàn)了 java.io.Serializable 接口：可以啟用其序列化功能，能通過序列化去傳輸。未實現(xiàn)此接口的類將無法使其任何狀態(tài)序列化或反序列化。序列化接口沒有方法或字段，僅用于標識可序列化的語義。

三、ArrayList的實現(xiàn)

對于ArrayList而言，它實現(xiàn)List接口、底層使用數(shù)組保存所有元素。其操作基本上是對數(shù)組的操作。下面進行具體的介紹：

1. 私有屬性

// 保存ArrayList中數(shù)據(jù)的數(shù)組 private transient Object[] elementData; // ArrayList中實際數(shù)據(jù)的數(shù)量 private int size;

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很容易理解，elementData存儲ArrayList內的元素，size表示它包含的元素的數(shù)量。?
有個關鍵字需要解釋：transient。?
Java的serialization提供了一種持久化對象實例的機制。當持久化對象時，可能有一個特殊的對象數(shù)據(jù)成員，我們不想用serialization機制來保存它。為了在一個特定對象的一個域上關閉serialization，可以在這個域前加上關鍵字transient。

2.構造函數(shù)

ArrayList提供了三種方式的構造器，可以構造一個指定初始容量的空列表、構造一個默認初始容量為10的空列表以及構造一個包含指定collection的元素的列表，這些元素按照該collection的迭代器返回它們的順序排列的。

// ArrayList帶容量大小的構造函數(shù)。public ArrayList(int initialCapacity) {super();if (initialCapacity < 0)throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: " + initialCapacity);// 新建一個數(shù)組this.elementData = new Object[initialCapacity];}// ArrayList構造函數(shù)。默認容量是10。public ArrayList() {this(10);}// 創(chuàng)建一個包含collection的ArrayListpublic 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);}

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3.元素存儲?
ArrayList是基于數(shù)組實現(xiàn)的，當添加元素的時候，如果數(shù)組大，則在將某個位置的值設置為指定元素即可，如果數(shù)組容量不夠了，以add（E e）為例，可以看到add(E e)中先調用了ensureCapacity(size+1)方法，之后將元素的索引賦給elementData[size]，而后size自增。例如初次添加時，size為0，add將elementData[0]賦值為e，然后size設置為1（類似執(zhí)行以下兩條語句elementData[0]=e;size=1）。將元素的索引賦給elementData[size]不是會出現(xiàn)數(shù)組越界的情況嗎？這里關鍵就在ensureCapacity(size+1)中了。?
具體實現(xiàn)如下：?
(1)?當調用下面這兩個方法向數(shù)組中添加元素時，默認是添加到數(shù)組中最后一個元素的后面。內存結構變化如下：?

// 添加元素epublic boolean add(E e) {// 確定ArrayList的容量大小ensureCapacity(size + 1); // Increments modCount!!// 添加e到ArrayList中elementData[size++] = e;return true;} // 將集合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 modCountSystem.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);size += numNew;return numNew != 0;}

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（2）當調用下面這兩個方法向數(shù)組中添加元素或集合時，會先查找索引位置，然后將元素添加到索引處，最后把添加前索引后面的元素追加到新元素的后面。?

// 將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++;}// 從index位置開始，將集合c添加到ArrayListpublic 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 modCountint 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;}

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（3）調用該方法會將index位置的元素用新元素替代?

// 設置index位置的值為elementpublic E set(int index, E element) {RangeCheck(index);E oldValue = (E) elementData[index];elementData[index] = element;return oldValue;}

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4.元素讀取

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

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5.元素刪除?
ArrayList提供了根據(jù)下標或者指定對象兩種方式的刪除功能。如下：?
romove(int index)，首先是檢查范圍，修改modCount，保留將要被移除的元素，將移除位置之后的元素向前挪動一個位置，將list末尾元素置空（null），返回被移除的元素。?

// 刪除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 workreturn oldValue;}

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6. 調整數(shù)組容量ensureCapacity?
（1）從上面介紹的向ArrayList中存儲元素的代碼中，我們看到，每當向數(shù)組中添加元素時，都要去檢查添加后元素的個數(shù)是否會超出當前數(shù)組的長度，如果超出，數(shù)組將會進行擴容，以滿足添加數(shù)據(jù)的需求。數(shù)組擴容通過一個公開的方法ensureCapacity(int minCapacity)來實現(xiàn)。在實際添加大量元素前，我也可以使用ensureCapacity來手動增加ArrayList實例的容量，以減少遞增式再分配的數(shù)量。

// 確定ArrarList的容量。// 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”public void ensureCapacity(int minCapacity) {// 將“修改統(tǒng)計數(shù)”+1modCount++;int oldCapacity = elementData.length;// 若當前容量不足以容納當前的元素個數(shù)，設置 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);}}

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從上述代碼中可以看出，數(shù)組進行擴容時，會將老數(shù)組中的元素重新拷貝一份到新的數(shù)組中，每次數(shù)組容量的增長大約是其原容量的1.5倍。這種操作的代價是很高的，因此在實際使用時，我們應該盡量避免數(shù)組容量的擴張。當我們可預知要保存的元素的多少時，要在構造ArrayList實例時，就指定其容量，以避免數(shù)組擴容的發(fā)生。或者根據(jù)實際需求，通過調用ensureCapacity方法來手動增加ArrayList實例的容量。?
(2)?ArrayList還給我們提供了將底層數(shù)組的容量調整為當前列表保存的實際元素的大小的功能。它可以通過trimToSize方法來實現(xiàn)。代碼如下：

// 將當前容量值設為 =實際元素個數(shù)public void trimToSize() {modCount++;int oldCapacity = elementData.length;if (size < oldCapacity) {elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);}}

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由于elementData的長度會被拓展，size標記的是其中包含的元素的個數(shù)。所以會出現(xiàn)size很小但elementData.length很大的情況，將出現(xiàn)空間的浪費。trimToSize將返回一個新的數(shù)組給elementData，元素內容保持不變，length和size相同，節(jié)省空間。?
7.轉為靜態(tài)數(shù)組toArray的兩種方法?
（1）調用Arrays.copyOf將返回一個數(shù)組，數(shù)組內容是size個elementData的元素，即拷貝elementData從0至size-1位置的元素到新數(shù)組并返回。

// 返回ArrayList的Object數(shù)組public Object[] toArray() {return Arrays.copyOf(elementData, size);}

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（2）如果傳入數(shù)組的長度小于size，返回一個新的數(shù)組，大小為size，類型與傳入數(shù)組相同。所傳入數(shù)組長度與size相等，則將elementData復制到傳入數(shù)組中并返回傳入的數(shù)組。若傳入數(shù)組長度大于size，除了復制elementData外，還將把返回數(shù)組的第size個元素置為空。

// 返回ArrayList的模板數(shù)組。所謂模板數(shù)組，即可以將T設為任意的數(shù)據(jù)類型public <T> T[] toArray(T[] a) {// 若數(shù)組a的大小 < ArrayList的元素個數(shù)；// 則新建一個T[]數(shù)組，數(shù)組大小是“ArrayList的元素個數(shù)”，并將“ArrayList”全部拷貝到新數(shù)組中if (a.length < size)return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass());// 若數(shù)組a的大小 >= ArrayList的元素個數(shù)；// 則將ArrayList的全部元素都拷貝到數(shù)組a中。System.arraycopy(elementData, 0, a, 0, size);if (a.length > size)a[size] = null;return a;}

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8.實現(xiàn)了Cloneable接口，進行數(shù)據(jù)淺拷貝

// 克隆函數(shù)public Object clone() {try {ArrayList<E> v = (ArrayList<E>) super.clone();// 將當前ArrayList的全部元素拷貝到v中v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);v.modCount = 0;return v;} catch (CloneNotSupportedException e) {// this shouldn't happen, since we are Cloneablethrow new InternalError();}}

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9.實現(xiàn)Serializable 接口，啟用其序列化功能

// java.io.Serializable的寫入函數(shù)// 將ArrayList的“容量，所有的元素值”都寫入到輸出流中private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s) throws java.io.IOException {// Write out element count, and any hidden stuffint expectedModCount = modCount;s.defaultWriteObject();// 寫入“數(shù)組的容量”s.writeInt(elementData.length);// 寫入“數(shù)組的每一個元素”for (int i = 0; i < size; i++)s.writeObject(elementData[i]);if (modCount != expectedModCount) {throw new ConcurrentModificationException();}}// java.io.Serializable的讀取函數(shù)：根據(jù)寫入方式讀出// 先將ArrayList的“容量”讀出，然后將“所有的元素值”讀出private void readObject(java.io.ObjectInputStream s) throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {// Read in size, and any hidden stuffs.defaultReadObject();// 從輸入流中讀取ArrayList的“容量”int arrayLength = s.readInt();Object[] a = elementData = new Object[arrayLength];// 從輸入流中將“所有的元素值”讀出for (int i = 0; i < size; i++)a[i] = s.readObject();}

總結

以上是生活随笔為你收集整理的【数据结构】ArrayList原理及实现学习总结的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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