java數據結構ArrayList是什么

本篇內容主要講解“java數據結構ArrayList是什么”，感興趣的朋友不妨來看看。本文介紹的方法操作簡單快捷，實用性強。下面就讓小編來帶大家學習“java數據結構ArrayList是什么”吧!

簡介

ArrayList 是 java 集合框架中比較常用的數據結構了。繼承自 AbstractList，實現了 List 接口。底層基于數組實現容量大小動態變化。允許 null 的存在。同時還實現了 RandomAccess、Cloneable、Serializable 接口，所以ArrayList 是支持快速訪問、復制、序列化的。

成員變量

ArrayList 底層是基于數組來實現容量大小動態變化的。

/**
* The size of the ArrayList (the number of elements it contains).
*/
private int size;  // 實際元素個數
transient Object[] elementData;

注意：上面的 size 是指 elementData 中實際有多少個元素，而 elementData.length 為集合容量，表示最多可以容納多少個元素。

默認初始容量大小為 10;

/**
* Default initial capacity.
*/
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

這個變量是定義在 AbstractList 中的。記錄對 List 操作的次數。主要使用是在 Iterator，是防止在迭代的過程中集合被修改。

protected transient int modCount = 0;

下面兩個變量是用在構造函數里面的

/**
* Shared empty array instance used for empty instances.
*/
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

/**
* Shared empty array instance used for default sized empty instances. We
* distinguish this from EMPTY_ELEMENTDATA to know how much to inflate when
* first element is added.
*/
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

兩個空的數組有什么區別呢？ We distinguish this from EMPTY_ELEMENTDATA to know how much to inflate when first element is added. 簡單來講就是第一次添加元素時知道該 elementData 從空的構造函數還是有參構造函數被初始化的。以便確認如何擴容。

構造函數

無參構造函數

/**
* Constructs an empty list with an initial capacity of ten.
*/
public ArrayList() {
	this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

注意：注釋是說構造一個容量大小為 10 的空的 list 集合，但構造函數了只是給 elementData 賦值了一個空的數組，其實是在第一次添加元素時容量擴大至 10 的。

構造一個初始容量大小為 initialCapacity 的 ArrayList

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);
	}
}

由以上源碼可見： 當使用無參構造函數時是把 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 賦值給 elementData。 當 initialCapacity 為零時則是把 EMPTY_ELEMENTDATA 賦值給 elementData。 當 initialCapacity 大于零時初始化一個大小為 initialCapacity 的 object 數組并賦值給 elementData。

使用指定 Collection 來構造 ArrayList 的構造函數

public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
	elementData = c.toArray();
	if ((size = elementData.length) != 0) {
	    // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
	    if (elementData.getClass() != Object[].class)
		elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
	} else {
	    // replace with empty array.
	    this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
	}
}

將 Collection 轉化為數組并賦值給 elementData，把 elementData 中元素的個數賦值給 size。 如果 size 不為零，則判斷 elementData 的 class 類型是否為 Object[]，不是的話則做一次轉換。 如果 size 為零，則把 EMPTY_ELEMENTDATA 賦值給 elementData，相當于new ArrayList(0)。

主要操作方法解析

add 操作

public boolean add(E e) {
	ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
	elementData[size++] = e;
	return true;
}

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
	if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
		minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
	}
	ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
	modCount++;
	// overflow-conscious code
	if (minCapacity - elementData.length > 0)
		grow(minCapacity);
}

由此可見：每次添加元素到集合中時都會先確認下集合容量大小。然后將 size 自增 1。ensureCapacityInternal 函數中判斷如果 elementData =DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 就取 DEFAULT_CAPACITY 和 minCapacity 的最大值也就是 10。這就是 EMPTY_ELEMENTDATA 與DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 的區別所在。同時也驗證了上面的說法：使用無慘構造函數時是在第一次添加元素時初始化容量為 10 的。ensureExplicitCapacity 中對 modCount 自增 1，記錄操作次數，然后如果 minCapacity 大于 elementData 的長度，則對集合進行擴容。顯然第一次添加元素時 elementData 的長度為零。那我們來看看 grow 函數。

private void grow(int minCapacity) {
	// overflow-conscious code
	int oldCapacity = elementData.length;
	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:
	elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

很簡單明了的一個函數，默認將擴容至原來容量的 1.5 倍。但是擴容之后也不一定適用，有可能太小，有可能太大。所以才會有下面兩個 if 判斷。如果1.5倍太小的話，則將我們所需的容量大小賦值給newCapacity，如果1.5倍太大或者我們需要的容量太大，那就直接拿 newCapacity = (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ? Integer.MAX_VALUE : MAX_ARRAY_SIZE 來擴容。然后將原數組中的數據復制到大小為 newCapacity 的新數組中，并將新數組賦值給 elementData。

public void add(int index, E element) {
	rangeCheckForAdd(index);
	ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
	System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index);
	elementData[index] = element;
	size++;
}

public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
	Object[] a = c.toArray();
	int numNew = a.length;
	ensureCapacityInternal(size + numNew);  // Increments modCount
	System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
	size += numNew;
	return numNew != 0;
}

public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
	rangeCheckForAdd(index);

	Object[] a = c.toArray();
	int numNew = a.length;
	ensureCapacityInternal(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;
}

有以上源碼可知，add(int index, E element)，addAll(Collection<? extends E> c)，addAll(int index, Collection<? extends E> c) 操作是都是先對集合容量檢查 ，以確保不會數組越界。然后通過 System.arraycopy() 方法將舊數組元素拷貝至一個新的數組中去。

remove 操作

public E remove(int index) {
	rangeCheck(index);
	modCount++;
	E oldValue = elementData(index);
	int numMoved = size - index - 1;
	if (numMoved > 0)
		System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
	elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
	return oldValue;
}
	
public boolean remove(Object o) {
	if (o == null) {
		for (int index = 0; index < size; index++)
			if (elementData[index] == null) {
				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; // clear to let GC do its work
}

當我們調用 remove(int index) 時，首先會檢查 index 是否合法，然后再判斷要刪除的元素是否位于數組的最后一個位置。如果 index 不是最后一個，就再次調用 System.arraycopy() 方法拷貝數組。說白了就是將從 index + 1 開始向后所有的元素都向前挪一個位置。然后將數組的最后一個位置空，size - 1。如果 index 是最后一個元素那么就直接將數組的最后一個位置空，size - 1即可。 當我們調用 remove(Object o) 時，會把 o 分為是否為空來分別處理。然后對數組做遍歷，找到第一個與 o 對應的下標 index，然后調用 fastRemove 方法，刪除下標為 index 的元素。其實仔細觀察 fastRemove(int index) 方法和 remove(int index) 方法基本全部相同。

get操作

public E get(int index) {
	rangeCheck(index);
	return elementData(index);
}

由于 ArrayList 底層是基于數組實現的，所以獲取元素就相當簡單了，直接調用數組隨機訪問即可。

迭代器 iterator

有使用過集合的都知道，在用 for 遍歷集合的時候是不可以對集合進行 remove操作的，因為 remove 操作會改變集合的大小。從而容易造成結果不準確甚至數組下標越界，更嚴重者還會拋出 ConcurrentModificationException。

foreach 遍歷等同于 iterator。為了搞清楚異常原因，我們還必須過一遍源碼。

public Iterator<E> iterator() {
	return new Itr();
}

原來是直接返回一個 Itr 對象。

private class Itr implements Iterator<E> {
	int cursor;       // index of next element to return
	int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such
	int expectedModCount = modCount;

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

	@SuppressWarnings("unchecked")
	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];
	}

	public void remove() {
		if (lastRet < 0)
			throw new IllegalStateException();
		checkForComodification();

		try {
			ArrayList.this.remove(lastRet);
			cursor = lastRet;
			lastRet = -1;
			expectedModCount = modCount;
		} catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
			throw new ConcurrentModificationException();
		}
	}

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

從源碼可以看出，ArrayList 定義了一個內部類 Itr 實現了 Iterator 接口。在 Itr 內部有三個成員變量。 cursor：代表下一個要訪問的元素下標。 lastRet：代表上一個要訪問的元素下標。 expectedModCount：代表對 ArrayList 修改次數的期望值，初始值為 modCount。

下面看看 Itr 的三個主要函數。

• hasNext 實現比較簡單，如果下一個元素的下標等于集合的大小 ，就證明到最后了。

• next 方法也不復雜，但很關鍵。首先判斷 expectedModCount 和 modCount 是否相等。然后對 cursor 進行判斷，看是否超過集合大小和數組長度。然后將 cursor 賦值給 lastRet ，并返回下標為 lastRet 的元素。最后將 cursor 自增 1。開始時，cursor = 0，lastRet = -1；每調用一次 next 方法， cursor 和 lastRet 都會自增 1。

• remove 方法首先會判斷 lastRet  的值是否小于 0，然后在檢查 expectedModCount 和 modCount 是否相等。接下來是關鍵，直接調用 ArrayList 的 remove 方法刪除下標為 lastRet 的元素。然后將 lastRet 賦值給 cursor ，將 lastRet 重新賦值為 -1，并將 modCount 重新賦值給 expectedModCount。

下面我們一步一步來分析 Itr 的操作。如圖一所示，開始時 cursor 指向下標為 0 的元素，lastRet 指向下標為 -1 的元素，也就是 null。每調用一次 next，cursor 和lastRet 就分別會自增 1。當 next 返回 “C” 時，cursor 和 lastRet 分別為 3 和 2 [圖二]。

此時調用 remove，注意是 ArrayList 的 remove，而不是 Itr 的 remove。會將 D E 兩個元素直接往前移動一位，最后一位置空，并且 modCount 會自增 1。從 remove 方法可以看出。[圖三]。

此時 cursor = 3，size = 4，沒有到數組末尾，所以循環繼續。來到 next 方法，因為上一步的 remove 方法對 modCount 做了修改 ，致使 expectedModCount 與 modCount 不相等，這就是 ConcurrentModificationException 異常的原因所在。從例子.png中也可以看出異常出自 ArrayList 中的內部類 Itr 中的 checkForComodification 方法。

異常的解決：

直接調用 iterator.remove() 即可。因為在該方法中增加了 expectedModCount = modCount 操作。但是這個 remove 方法也有弊端。

• 1、只能進行remove操作，add、clear 等 Itr 中沒有。

• 2、調用 remove 之前必須先調用 next。因為 remove 開始就對 lastRet 做了校驗。而 lastRet 初始化時為 -1。

• 3、next 之后只可以調用一次 remove。因為 remove 會將 lastRet 重新初始化為 -1

到此，相信大家對“java數據結構ArrayList是什么”有了更深的了解，不妨來實際操作一番吧！這里是億速云網站，更多相關內容可以進入相關頻道進行查詢，關注我們，繼續學習！