Java集合系列（2）--ArrayList

一、ArrayList的基本概述

ArrayList是一个数组队列，也就是动态数组，其容量能自动生长，它继承于AbstractList，实现了List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable这些接口。
实现了List接口，因此可以使用增加、删除修改、遍历等方法；实现了Serializable接口，因此它支持序列化，能够通过序列化传输；实现了RandomAccess接口，支持快速随机访问，实际上就是通过下标序号进行快速访问，实现了Cloneable接口，能被克隆，得到副本数据。

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。

ArrayList不是线程安全的，通常用在单线程环境下，在多线程环境下，可以考虑使用Collections.synchronizedList(List l)函数返回一个线程安全的ArrayList类，也可以使用concurrent并发包下的CopyOnWriteArrayList类，而且ArrayList中允许元素为null。
面试易考点：

关注点	结论
集合底层实现的数据结构	动态数组
集合中元素是否允许为空	可以为空
是否允许数据重复	允许重复
是否有序	有序
是否线程安全	非线程安全（不是同步的）

二、ArrayList的数据结构

（1）两个重要对象

/**
* The array buffer into which the elements of the ArrayList are stored.
* The capacity of the ArrayList is the length of this array buffer.
*/
private transient Object[] elementData;

/**
* The size of the ArrayList (the number of elements it contains).
*
* @serial
*/
private int size;

ArrayList包含了两个重要的对象：elementData 和 size。

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(intinitialCapacity)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。

size 则是动态数组的实际大小。

有个关键字需要解释：transient。

transient中文意思为短暂的吗，转瞬的。

Java的serializable提供了一种持久化对象实例的机制。当持久化对象时，可能有一个特殊的对象数据成员，我们不想用Serializable序列化机制来保存它。为了在一个特定对象的一个域上关闭Serializable，可以在这个域前加上关键字transient。

下面根据代码分析：

import java.io.Serializable;

/**
* Created by LKL on 2017/2/13.
*/
public class User implements Serializable {
private String username;
private transient String password;

public User(String username, String password) {
this.username = username;
this.password = password;
}
public String toString() {
return "username=" + username + ", password=" + password;
}
}

import java.io.*;

/**
* Created by LKL on 2017/2/13.
*/
public class TestTransient {
public static void main(String[] args) {
User user = new User("hust", "1234");
System.out.println(user);
try {
// 序列化，User对象中password被设置为transient的属性没有被序列化
ObjectOutputStream out = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(
"User.out"));
out.writeObject(user);
out.close();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
try {
// 重新读取内容
ObjectInputStream in = new ObjectInputStream(new FileInputStream(
"User.out"));
User readUser = (User) in.readObject();
//读取后password的内容为null
System.out.println(readUser.toString());
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}

}

当在User的password属性上添加transient修饰，编译结果为：

username=hust, password=1234
username=hust, password=null

当在User的password属性上去掉transient修饰，编译结果为：

username=hust, password=1234
username=hust, password=1234

通过编译结果很容易得出，当添加了transient修饰后，读取password成员变量一次后，第二次再读取时，显然已经为空了，不再是持久化属性值，意为“短暂，暂时之意”；而没有了transient修饰，再次读取时，成员变量的值并没改变。即被标记为transient的属性在对象被序列化的时候不会被保存。

三、ArrayList的API

1>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。

// ArrayList无参构造函数。默认容量是10。
public ArrayList() {
this(10);
}

// 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];
}

// 创建一个包含collection的ArrayList
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
elementData = c.toArray();
size = elementData.length;
if (elementData.getClass() != Object[].class)
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
}

2>元素存储

ArrayList提供了set(int index, E element)、add(E e)、add(int index, E element)、addAll(Collection

// 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。
public E set(int index, E element) {
RangeCheck(index);

E oldValue = (E) elementData[index];
elementData[index] = element;
return oldValue;
}

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

// 将指定的元素插入此列表中的指定位置。
// 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）。
public void add(int index, E element) {
if (index > size || index < 0)
throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+", Size: "+size);
// 如果数组长度不足，将进行扩容。
ensureCapacity(size+1);  // Increments modCount!!
// 将 elementData中从Index位置开始、长度为size-index的元素，
// 拷贝到从下标为index+1位置开始的新的elementData数组中。
// 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。
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index);
elementData[index] = element;
size++;
}

// 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。
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;
}
// 从指定的位置开始，将指定collection中的所有元素插入到此列表中。
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;
}

常用的有add（E e），add（int index, E element）注意与Set集合中add方法的不同，Set集合中元素不重复，因此执行add方法时，只有元素不存在的情况下才会添加。

3>元素读取

// 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];
}

4>截取子List

subList(int fromIndex, int toIndex)是根据索引fromIndex和toIndex来获取父List的一个视图，注意，这里并不是创建了一个新的List，而只是原来List的部分数据的一个视图，subList的任何操作都会影响到原来的父List。

public List<E> subList(int fromIndex, int toIndex) {
subListRangeCheck(fromIndex, toIndex, size);
return new SubList(this, 0, fromIndex, toIndex);
}

static void subListRangeCheck(int fromIndex, int toIndex, int size) {
if (fromIndex < 0)
throw new IndexOutOfBoundsException("fromIndex = " + fromIndex);
if (toIndex > size)
throw new IndexOutOfBoundsException("toIndex = " + toIndex);
if (fromIndex > toIndex)
throw new IllegalArgumentException("fromIndex(" + fromIndex +
") > toIndex(" + toIndex + ")");
}

SubList是一个ArrayList内部的private类，构造函数如下：

SubList(AbstractList<E> parent,
int offset, int fromIndex, int toIndex) {
this.parent = parent;
this.parentOffset = fromIndex;
this.offset = offset + fromIndex;
this.size = toIndex - fromIndex;
this.modCount = ArrayList.this.modCount;
}

这个SubList的任何操作都是基于ArrayList这个类的elementData这个数组来实现的，所以只是父类的一个子视图。所以需要额外注意这一点。

5>元素删除

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：

romove(int index):

// 移除此列表中指定位置上的元素。
public E remove(int index) {
//检查index范围
RangeCheck(index);

//修改modCount
modCount++;
E oldValue = (E) elementData[index];
//保留将要被移除的元素，将移除位置之后的元素向前挪动一个位置，将list末尾元素置空（null），返回被移除的元素。
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;
}

remove(Object o)

// 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。
public boolean remove(Object o) {
// 由于ArrayList中允许存放null，因此下面通过两种情况来分别处理。
if (o == null) {
for (int index = 0; index < size; index++)
if (elementData[index] == null) {
// 类似remove(int index)，移除列表中指定位置上的元素。
fastRemove(index);
return true;
}
} else {
for (int index = 0; index < size; index++)
if (o.equals(elementData[index])) {
fastRemove(index);
return true;
}
}
return false;
}
}

private void fastRemove(int index) {
modCount++;
int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
numMoved);
elementData[--size] = null; // Let gc do its work
}

removeRange(int fromIndex,int toIndex)

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;
}

执行过程是将elementData从toIndex位置开始的元素向前移动到fromIndex，然后将toIndex位置之后的元素全部置空顺便修改size。

6>调整数组容量ensureCapacity：

从上面介绍的向ArrayList中存储元素的代码中，我们知道，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，我们也可以使用ensureCapacity来手动增加ArrayList实例的容量，以减少递增式再分配的数量。

public void ensureCapacity(int minCapacity) {
modCount++;
int oldCapacity = elementData.length;
if (minCapacity > oldCapacity) {
Object oldData[] = elementData;
int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1;  //增加50%+1
if (newCapacity < minCapacity)
newCapacity = minCapacity;
// minCapacity is usually close to size, so this is a win:
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
}

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。
注意点：
Object oldData[] = elementData;//为什么要用到oldData[]

简单来看后面并没有用到关于oldData， 仔细分析哈，这就涉及到内存管理的类， 所以要了解内部的问题。 而且为什么这一句还在if的内部，这跟elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); 这句是有关系的，下面这句Arrays.copyOf的实现时新创建了newCapacity大小的内存，然后把老的elementData放入。好像也没有用到oldData，有什么问题呢。问题就在于旧的内存的引用是elementData， elementData指向了新的内存块，如果有一个局部变量oldData变量引用旧的内存块的话，在copy的过程中就会比较安全，因为这样证明这块老的内存依然有引用，分配内存的时候就不会被侵占掉，然后copy完成后，这个局部变量的生命期也过去了，然后释放才是安全的。不然在copy的的时候，当新的内存或其他线程的分配内存侵占了这块老的内存，而copy还没有结束，这将是个严重的事情。

7)转换为静态数组toArray

ArrayList两个转为为静态数组的方法：

a、调用Arrays.copyOf将返回一个数组，数组内容是size个elementData的元素，即拷贝elementData从0至size-1位置的元素到新数组并返回。

public Object[] toArray() {
return Arrays.copyOf(elementData, size);
}

b、如果传入数组的长度小于size，返回一个新的数组，大小为size，类型与传入数组相同；所传入数组长度与size相等，则将elementData复制到传入数组中并返回传入的数组；若传入数组长度大于size，除了复制elementData外，还将把返回数组的第size个元素置为空。

public <T> T[] toArray(T[] a) {
if (a.length < size)
// Make a new array of a's runtime type, but my contents:
return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass());
System.arraycopy(elementData, 0, a, 0, size);
if (a.length > size)
a[size] = null;
return a;
}

Fail-Fast机制：

ArrayList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。

补充：

一、ArrayList，优势在于随机访问元素，但是在List的中间插入和移除元素时较慢；LinkedList，通过代价较低的在List中间进行的插入和删除操作，提高了优化的顺序访问，而在随机访问方面相对比较慢。

二、注意扩充容量的方法ensureCapacity。ArrayList在每次增加元素（可能是1个，也可能是一组）时，都要调用该方法来确保足够的容量。当容量不足以容纳当前的元素个数时，就设置新的容量为旧的容量的1.5倍加1，如果设置后的新容量还不够，则直接新容量设置为传入的参数（也就是所需的容量），而后用Arrays.copyof()方法将元素拷贝到新的数组。可以看出，当容量不够时，每次增加元素，都要将原来的元素拷贝到一个新的数组中，非常之耗时，也因此建议在事先能确定元素数量的情况下，才使用ArrayList，否则建议使用LinkedList。

文章只是作为自己的学习笔记，借鉴了网上的许多案例，如果觉得阔以的话，希望可以和大家多交流，相互学习，在此谢过…