带你走进Java集合之ArrayList

1、前言

Java 集合类提供了一套设计良好的支持对一组对象进行操做的接口和类,JAVA经常使用的集合接口有4类，分别是：

• Collection：表明一组对象，每个对象都是它的子元素
• Set：不包含重复元素的 Collection
• List：有顺序的 collection，而且能够包含重复元素
• Map：能够把键(key)映射到值(value)的对象，键不能重复。

JAVA集合的类关系能够用图表示以下：

类图说明：

• 实线边框是实现类，好比：ArrayList，LinkedList，HashMap等。
• 折线边框是抽象类，好比：AbstractCollection，AbstractList，AbstractMap等。
• 点线边框的是接口，好比：Collection，Iterator，List等
• 带颜色框的是工具类，好比：Collections,Arrays。

经过类图咱们知道，全部的集合都继承了Iterator接口,也就是说，全部的集合都具备迭代器，能够经过迭代器去循环，事实上，不少集合的功能都是依托于迭代器去实现的。

2、ArrayList经常使用方法

方法名	功能
size()	返回当前集合的元素个数
isEmpty()	判断当前集合是不是空元素
contains(Object o)	判断当前集合是否包含某个对象
indexOf(Object o)	获取某个对象位于集合的索引位置
lastIndexOf(Object o)	获取最后一个位于集合的索引位置
get(int index)	获取指定位置的集合对象
set(int index, E element)	覆盖集合某个位置的对象
add(E e)	添加对象进入集合
add(int index, E element)	添加对象进入集合指定位置
remove(int index)	移除索引位置的元素
remove(Object o)	移除某个元素

咱们通常使用ArrayList最经常使用的方法无非就是添加，查询和删除。咱们接下来从源码层面上分析下ArrayList是如何进行添加，查询和删除的。

ArrayList源码属性

//默认容量长度
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
//空元素数组
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
//默认容量的空元素数组
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
//存储对象的数组
transient Object[] elementData;
//集合的大小
private int size;
复制代码

ArrayList构造方法

//指定容量构造方法
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);
        }
    }
//默认无参数构造方法
 public ArrayList() {
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }

//指定集合构造方法
 public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
        elementData = c.toArray();
        if ((size = elementData.length) != 0) {
            // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
            //官方的一个bug，c.toArray()可能不是一个object数组，因此须要经过Arrays.copyOf建立1个Object[]数组，这样数组中就能够存听任意对象了
            if (elementData.getClass() != Object[].class)
                elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
        } else {
            // replace with empty array.
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        }
    }    
复制代码

经过上面ArrayList的构造方法咱们知道，ArrayList能够建立指定长度的list，也能够指定一个集合建立list，而默认的建立list是一个长度为10 的空数组。

ArrayList的add()方法

public boolean add(E e) {
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }
    
// 确认可否装得下size+1的对象
 private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
    }
//计算容量
 private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
        //若是是默认长度，就比较默认长度和size+1,取最大值
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
            return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }
        return minCapacity;
    }

 private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        modCount++;

        // overflow-conscious code
        //若是容量大于数组的长度
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            //扩容
            grow(minCapacity);
    }
private void grow(int minCapacity) {
        //取数组的长度
        int oldCapacity = elementData.length;
        //计算新长度，新长度=旧长度+旧长度/2
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            newCapacity = minCapacity;
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
        // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
        //最后按照新容量进行扩容，复制。
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }
复制代码

上面源码逻辑包括了，ArrayList的添加以及扩容，根据上面源码，咱们知道，原来ArrayList的实际默认容量直到调用add()方法才会真正扩容到10，这里经过new ArrayList（）在内存分配的是一个空数组，并无直接new Object[10],这样设计是很巧妙的，能够节省不少空间。

ArrayList的add(int index, E element)方法

public void add(int index, E element) {
    //判断是否越界
        rangeCheckForAdd(index);

        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    // 从新复制数组，把index+1位置日后的对象所有后移
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                         size - index);
        //覆盖index位置的对象                 
        elementData[index] = element;
        size++;
    }
复制代码

ArrayList的指定位置添加对象方法，须要把指定位置后面的所有对象后移，因此这样也是ArrayList相对于linkList添加耗时的地方。

ArrayList的get(int index)方法

public E get(int index) {
        rangeCheck(index);

        return elementData(index);
    }

复制代码

ArrayList的get(int index) 方法比较简单，只有两步，第一，检查是否越界，第二，返回数组索引位置的数据。

ArrayList的remove(int index)方法

public E remove(int index) {
        rangeCheck(index);
        
        //父类的属性，用来记录list修改的次数，后续迭代器中会用到
        modCount++;
        E oldValue = elementData(index);

        int numMoved = size - index - 1;
        if (numMoved > 0)
        //把index位置后面的元素左移
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                             numMoved);
        elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work

        return oldValue;
    }
复制代码

ArrayList 的remove（int index）方法主要分为 3步，第一步，判断下标是否越界，第二步，记录修改次数，并左移index位置后面的元素，第三，把最后位置赋值为null，用于快速垃圾回收。

ArrayList在循环中使用remove方法须要注意的问题

• for循环

List<Integer> integers = new ArrayList<>(5);
        integers.add(1);
        integers.add(2);
        integers.add(3);
        integers.add(4);
        integers.add(5);

        for (int i = 0; i < integers.size(); i++) {
            integers.remove(i);
        }
        System.out.println(integers.size());


复制代码

这里首先申明一个长度为5的ArrayList的集合，而后添加五个元素，最后经过循环遍历删除，理论结果输出0，可是输出的结果倒是2，为何呢？以前分析remove源码咱们知道，ArrayList每删除一次就会把后面的所有元素左移，以这5个元素为例，第一个正常删除没问题，删除后，元素就只剩下[2,3,4,5],这个时候remove(1),还剩[2,4,5],再remove(2),剩下[2,4],后面再remove没有元素了，因此最后size为2。

• foreach循环

List<Integer> integers = new ArrayList<>(5);
        integers.add(1);
        integers.add(2);
        integers.add(3);
        integers.add(4);
        integers.add(5);

        for (Integer integer : integers) {
            integers.remove(integer);
        }
        System.out.println(integers.size());
复制代码

这段代码只是在上面的代码上面把for循环改为了foreach循环，这里理论结果也是输出0，可是最后却报错了，报错信息：

Exception in thread "main" java.util.ConcurrentModificationException
	at java.util.ArrayList$Itr.checkForComodification(ArrayList.java:909)
	at java.util.ArrayList$Itr.next(ArrayList.java:859)
复制代码

这里咱们发现是ArrayList的迭代器方法，ArrayList$Itr说明是ArrayList的内部类Itr中checkForComodification出问题了，我查看下源码，

//这是Itr内部的属性，初始化等于ArrayList中的modCount
int expectedModCount = modCount;

final void checkForComodification() {
            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
        }
复制代码

看到这里咱们应该清楚了，咱们调用ArrayList的remove方法，modCount的值修改了，可是迭代器中expectedModCount值没有修改，因此就抛出异常了。这时候确定有人说，你这个是骗人的，我写的foreach删除就不会报错！恩，对！有一种状况是不会报错的，就是list中只有两个元素时，好比这样：

List<Integer> integers = new ArrayList<>(5);
        integers.add(1);
        integers.add(2);

        for (Integer integer : integers) {
            integers.remove(integer);
        }
        System.out.println(integers.size());
    }
复制代码

这时候输出结果为1，没有报错，为何呢？咱们知道foreach是for循环的加强，内部是经过迭代器实现的，看到刚刚报错的代码也证明了咱们的猜测，因此，迭代器删除，过程是这样的，先判断iterator.hasNext()，迭代器有没有下一个元素，若是有就遍历，遍历就会调用iterator.next(),该源码以下：

public boolean hasNext() {
            return cursor != size;
        }

  public E next() {
            checkForComodification();
            int i = cursor;
            if (i >= size)
                throw new NoSuchElementException();
            Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
            if (i >= elementData.length)
                throw new ConcurrentModificationException();
            cursor = i + 1;
            return (E) elementData[lastRet = i];
        }
复制代码

咱们查看源码发现，以上过程只有调用next()会进行 checkForComodification()，当咱们删除了第一个元素时候，进入循环判断，hasNext这个时候为false，不会调用next（），因此也就不会执行checkForComodification(),因此就能输出1。

3、总结

• ArrayList能够指定容量实例化，也能够指定一个集合内容初始化，默认初始化长度是10（在执行add方法后才会给真正的空间），
• ArrayList指定位置添加和删除，都会改变该位置以后的元素位置。
• ArrayList在循环中进行remove时候须要注意报错和下标的问题，建议用迭代器删除是最好的

推荐阅读

《Java锁之ReentrantLock（一）》

《Java锁之ReentrantLock（二）》

《Java锁之ReentrantReadWriteLock》

《JAVA NIO编程入门（一）》

《JAVA NIO 编程入门（二）》

《JAVA NIO 编程入门（三）》