java集合之ArrayList

    xiaoxiao2022-07-05  227

    集合与数组

         数组是一种最简单的复合数据类型,它是有序数据的集合,数组中的每个元素具有相同的数据类型,可以用一个统一的数组名和不同的下标来唯一确定数组中的元素。根据数组的维度,可以将其分为一维数组、二维数组和多维数组等。 总的来说,数组具有以下特点:

    数组可以是一维数组、二维数组或多维数组。数值数组元素的默认值为 0,而引用元素的默认值为 null。交错数组是数组的数组,因此,它的元素是引用类型,初始化为 null。交错数组元素的维度和大小可以不同。数组的索引从 0 开始,如果数组有 n 个元素,那么数组的索引是从 0 到(n-1)。数组元素可以是任何类型,包括数组类型。数组类型是从抽象基类 Array 派生的引用类型。

      集合(只能存储对象,对象类型可以不一样)的长度课表,可以在多数情况下使用

    集合中接口和类的关系

          Collection接口是集合类的跟接口,Java中没有提供这个接口的实现类。但是却让其他被继承产生了两个接口,就是Set和List。Set不能包含重复的元素。List是一个有序的集合,可以包含重复的元素,提供了岸所以访问的方式。

          Map是Java.util包中的另一个接口,他和Collection接口没有关系,是相互独立的,但是都属于集合类的一部分。Map包含key-value对,Map不能包含重复的key,单可以包含相同的value。(如果有相同的key,后者的key的值会覆盖前者的值)。

          Iterator所以的集合类,都实现了Iterator接口,这是一个遍历集合中元素德尔接口,主要包含一下三张方法:

    1、hasNext()是否还有下一个元素。2、next()返回下一个元素。3、remove()删除当前元素

    层次图

    list(有序、可重复)

           List里存放的对象是有序的,同时可以重复。List关注的是索引,拥有一系列和索引相关的方法,查询速度魁岸。因为往list集合里插入或删除数据市,会伴随后面数据的移动。查询快,增删慢;线程不安全,效率高

    ArrayList

    ArrayList是基于数组的,在初始化ArrayList时,会构建空数组(Object[] elementDate={})。ArrayList是一个无序的,他是按照添加的先后顺序排列,当然,他也提供了sort方法,如果需要对ArrayList进行排序,只需要调用这个方法。

    1.1、概览

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

    实现了RandomAccess接口,因此支持随机访问,这是理所当然的,因为ArrayList是基于数组实现的

    1.1.1、ArrayList源码详解

    ArrayList内部通过一个Object数组来存储数据

    transient Object[] elementData;

    ArrayList使用size变量来表示实际存储的元素个数

    private int size;

    ArrayList有以下三个构造方法

    // 根据initialCapacity来创建具有指定初始容量的ArrayList public ArrayList(int initialCapacity) // 创建一个默认的ArrayList public ArrayList() // 根据其他集合来创建ArrayList public ArrayList(Collection<? extends E> c)

    我们来详细看一下这三个构造方法:

    public ArrayList(int initialCapacity) { // 创建指定初始容量的ArrayList if (initialCapacity > 0) { this.elementData = new Object[initialCapacity]; } // 初始化容量指定为0,则用EMPTY_ELEMENTDATA数组 else if (initialCapacity == 0) { this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA; } // 否则,抛出IllegalArgumentException异常 else { throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+ initialCapacity); } }

    EMPTY_ELEMENTDATA定义如下(即长度为0的Object数组):

    private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

    public ArrayList() {     // 默认ArrayList的内部数组是DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA     this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA; }

    DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA声明如下:

    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

    DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA和EMPTY_ELEMENTDATA是一样的,都是定义为了长度为0的Object数组,那它们有什么区别呢?它们两个的主要区别在于添加第一个元素时,若elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA ,则程序会将其扩充为容量为DEFAULT_CAPACITY的数组,DEFAULT_CAPACITY定义为10,即通过默认的构造方法创建的ArrayList的初始容量是10。我们后面会详细介绍数组的扩容。  

    public ArrayList(Collection<? extends E> c) { elementData = c.toArray(); if ((size = elementData.length) != 0) { // 通过反射获取数组类型,判定c.toArray类型是否为Object[]类型 if (elementData.getClass() != Object[].class) elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class); } else { // 若c为空,则内部数组为EMPTY_ELEMENTDATA this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA; } }

    我们下面主要来看下ArrayList的add和remove方法

    remover方法

    remove方法在ArrayList中同样有两种实现方式:

    // 根据index下标删除元素

    public E remove(int index)

    // 根据元素删除

    public boolean remove(Object o)

    remove(int index)方法

    remove(int index)方法源码如下:

    public E remove(int index) { // 下标合法性检验 rangeCheck(index); // 修改次数加1 modCount++; // 获取旧的元素值 E oldValue = elementData(index); // 计算需要移动的元素个数 int numMoved = size - index - 1; // 将元素向前移动 if (numMoved > 0) System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved); // 将最后的元素值设置为null elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work return oldValue; }

    这里需要注意一点的就是rangeCheck(int)方法:

    private void rangeCheck(int index) { // 若index下标超出size,则抛出IndexOutOfBoundsException异常 if (index >= size) throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index)); }

    这里只判断了index超出了size,而不需要判断index为负数的情况,这是为什么呢?

    因为该方法总是在访问数组之前被调用,在访问数组时,会对下标为负数进行判断,如果index为负数,则会抛出ArrayIndexOutOfBoundsException异常,所以在这里就没有必要判断了,避免冗余。  

    remove(Object o)方法

    remove(Object o)方法源码如下:

    public boolean remove(Object o) {     // 若删除的元素为null     if (o == null) {         for (int index = 0; index < size; index++)             // 若数组元素为null,则调用fastRemove方法快速删除             if (elementData[index] == null) {                 fastRemove(index);                 return true;             }     }      // 若删除的元素不为null     else {         for (int index = 0; index < size; index++)             // 找到要删除的元素,调用fastRemove方法快速删除             if (o.equals(elementData[index])) {                 fastRemove(index);                 return true;             }     }     return false; }

    ArrayList删除元素时,是分为元素为null和不为null两种方式来判断的,这也说明ArrayList允许添加null元素;同时,如果这个元素在ArrayList中存在多个,则只会删除最先出现的那个。

    删除元素,采用了fastRemove(int)方法来快速删除:

    private void fastRemove(int index) { // 修改次数加1 modCount++; // 计算需要移动的元素数目 int numMoved = size - index - 1; // 将index之后的元素向前移动一位 if (numMoved > 0) System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved); // 将数组最后一位置为null elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work }

    add方法

    ArrayList有两个重载的add方法

    // 在数组elementData尾部添加一个元素

    public boolean add(E e)

    // 在数组elementData指定位置index处添加元素

    public void add(int index, E element)

    add(E  e)方法

    add(E  e)方法的源码如下

    // 在数组elementData尾部添加一个元素 public boolean add(E e) { // 容量大小判断 ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!! elementData[size++] = e; return true; }

    该方法首先要判断elementData数组的容量是否能过容纳新的元素,若不能,则需要进行扩容操作,然后将元素e放置在数据组的siez位置。

    ensureCapacityInternal(int)方法源码如下:

    private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) { // 若elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) { // minCapacity = max(10, minCapacity) minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity); } // 针对数组最小容量,决定是否扩容 ensureExplicitCapacity(minCapacity); }

    前面所说到的DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA,在这里就起到作用了,若elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA,则会将数组的最小容量设置为10。然后通过ensureExplicitCapacity(int)方法来判断是否要扩容:  

    private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) { // 增加修改次数 modCount++; // overflow-conscious code // 增加元素后,ArrayList中要存储的元素个数为minCapacity // 若此时minCapacity > elementData原始的容量,则要按照minCapacity进行扩容 if (minCapacity - elementData.length > 0) grow(minCapacity); }

    扩容的最终操作是通过grow(int)方法来实现的:

    private void grow(int minCapacity) { // overflow-conscious code // 获取elementData的原始容量 int oldCapacity = elementData.length; // 计算新的容量 // 若原数组长度为偶数,那么新数组长度就恰好是原数组长度的1.5倍 // 若原数组长度为奇数,那么新数组长度就恰好是原数组长度的1.5倍 - 1 int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // 若按照1.5倍进行扩容后,capacity仍然比实际需要的小,则新容量更改为实际需要的大小,即minCapacity if (newCapacity - minCapacity < 0) newCapacity = minCapacity; // 如果新数组的长度比虚拟机能够提供给数组的最大存储空间大,则将新数组长度更改为最大正数:Integer.MAX_VALUE if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0) newCapacity = hugeCapacity(minCapacity); // minCapacity is usually close to size, so this is a win: // 按照新的容量newCapacity创建一个新数组,然后再将原数组中的内容copy到新数组中 elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); }

    扩容函数整体比较好理解,需要注意的是,若新容量过大,则会通过hugeCapacity(int)方法来进行容量判断:

    private static int hugeCapacity(int minCapacity) { // minCapacity < 0则表明数组容量已经超过了虚拟机所能表示的最大容量,抛出OutOfMemoryError if (minCapacity < 0) // overflow throw new OutOfMemoryError(); // 否则,若minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE,则数组容量为Integer.MAX_VALUE,否则为MAX_ARRAY_SIZE(Integer.MAX_VALUE - 8) return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ? Integer.MAX_VALUE : MAX_ARRAY_SIZE; }

    add(int index, E element)方法

    add(int index, E element)方法源码如下:

    public void add(int index, E element) { // 判断下标index的合法性 rangeCheckForAdd(index); // 数组容量判断 ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!! // 数组拷贝,将index到末尾的元素拷贝到index + 1到末尾的位置,将index的位置留出来 System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index); elementData[index] = element; size++; }

    该方法与add(E e)方法类似,只是元素的插入位置不同,该方法需要调用rangeCheckForAdd(int)方法来对index进行合法检验:

    private void rangeCheckForAdd(int index) { if (index > size || index < 0) throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index)); }

    若index下标不合法,则抛出IndexOutOfBoundsException异常。

    其他相关方法介绍

    trimToSize()

    trimToSize()源码如下:

    public void trimToSize() { // 修改次数加1 modCount++; // trim if (size < elementData.length) { elementData = (size == 0) ? EMPTY_ELEMENTDATA : Arrays.copyOf(elementData, size); } }

    该方法的主要工作就是将数组容量修改为size大小,若size为0,则将数组设置为EMPTY_ELEMENTDATA,否则,通过Arrays.copyOf方法来创建新的数组。

    该方法的主要存在意义就是:如果capacity被分配过大,那么可以通过这个方法,将ArrayList实例的capacity的大小修改为数组存储元素的个数,从而缩减ArrayList的存储空间。

    contains(Object o)

    public boolean contains(Object o) { return indexOf(o) >= 0; } public int indexOf(Object o) { if (o == null) { for (int i = 0; i < size; i++) if (elementData[i]==null) return i; } else { for (int i = 0; i < size; i++) if (o.equals(elementData[i])) return i; } return -1; }

    toArray()

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

    该方法有可能会抛出java.lang.ClassCastException异常,如果直接用向下转型的方法,将整个ArrayList集合转变为指定类型的Array数组,便会抛出该异常,而如果转化为Array数组时不向下转型,而是将每个元素向下转型,则不会抛出该异常,显然对数组中的元素一个个进行向下转型,效率不高,且不太方便。  

    toArray(T[] a)

    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; }

    该方法可以直接将ArrayList转换得到的Array进行整体向下转型(转型其实是在该方法的源码中实现的),且从该方法的源码中可以看出,参数a的大小不足时,内部会调用Arrays.copyOf方法,该方法内部创建一个新的数组返回,因此对该方法的常用形式如下:

    public static Integer[] toArray(ArrayList<Integer> v) { Integer[] array = (Integer[])v.toArray(new Integer[0]); return array; }

     

     

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