其实 Java 集合框架也叫做容器,主要由两大接口派生而来,一个是 collection
,主要存放对象的集合。另外一个是Map
, 存储着键值对(两个对象)的映射表。
下面就来说说 List
接口,List
存储的元素是有序、可重复的。其下有三个子接口,ArrayList、LinkedList 和 vector。
一、 ArrayList概述
ArrayList
底层数据结构是基于 Object 数组来实现的,我们看看它的底层接口源码:
1. ArrayList 实现的接口
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
其中继承的接口中的 RandomAccess
、Cloneable
和 Serializable
只是标记接口,他们的接口内部没有具体的方法和参数:
public interface RandomAccess {}
public interface Cloneable {} //覆盖clone(),能被克隆
public interface Serializable {} //支持序列化,能通过序列化传输
标记接口是计算机科学中的一种设计思路。编程语言本身不支持为类维护元数据。而标记接口则弥补了这个功能上的缺失——一个类实现某个没有任何方法的标记接口,实际上标记接口从某种意义上说就成为了这个类的元数据之一。运行时,通过编程语言的反射机制,我们就可以在代码里拿到这种元数据。
以Serializable接口为例。一个类实现了这个接口,说明它可以被序列化。因此,我们实际上通过Serializable这个接口,给该类标记了“可被序列化”的元数据,打上了“可被序列化”的标签。这也是标记/标签接口名字的由来。
此外AbstractList
继承AbstractCollection
抽象类,实现List
接口。它实现了 List 的一些基本操作如(get,set,add,remove),是第一实现随机访问方法的集合类,但是不支持添加和替换。
2.ArrayList 的成员属性
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10; //默认初始容量为10
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {}; //空数组,用于空实例
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};//用于默认大小空实例的共享空数组实例。
transient Object[] elementData; //保存ArrayList数据的数组,transient修饰表示数组默认不会被序列化
private int size; //ArrayList中数组的个数
二、ArrayList 中的方法
Java ArrayList 中常用的方法:
方法 | 描述 |
---|---|
add() | 将元素插入到指定位置的 arraylist 中 |
addAll() | 添加集合中的所有元素到 arraylist 中 |
clear() | 删除 arraylist 中的所有元素 |
clone() | 复制一份 arraylist |
contains() | 判断元素是否在 arraylist |
get() | 通过索引值获取 arraylist 中的元素 |
indexOf() | 返回 arraylist 中元素的索引值 |
removeAll() | 删除存在于指定集合中的 arraylist 里的所有元素 |
remove() | 删除 arraylist 里的单个元素 |
size() | 返回 arraylist 里元素数量 |
isEmpty() | 判断 arraylist 是否为空 |
subList() | 截取部分 arraylist 的元素 |
set() | 替换 arraylist 中指定索引的元素 |
sort() | 对 arraylist 元素进行排序 |
toArray() | 将 arraylist 转换为数组 |
toString() | 将 arraylist 转换为字符串 |
ensureCapacity() | 设置指定容量大小的 arraylist |
lastIndexOf() | 返回指定元素在 arraylist 中最后一次出现的位置 |
retainAll() | 保留 arraylist 中在指定集合中也存在的那些元素 |
containsAll() | 查看 arraylist 是否包含指定集合中的所有元素 |
trimToSize() | 将 arraylist 中的容量调整为数组中的元素个数 |
removeRange() | 删除 arraylist 中指定索引之间存在的元素 |
replaceAll() | 将给定的操作内容替换掉数组中每一个元素 |
removeIf() | 删除所有满足特定条件的 arraylist 元素 |
forEach() | 遍历 arraylist 中每一个元素并执行特定操作 |
具体的方法细节可以看这里
三、ArrayList 中的扩容机制
在初始化时,ArrayList 有三种方式来进行初始化,以无参构造方法创建 ArrayList 时,实际上赋值的是一个空数组。当真正对数组进行添加元素时,才真正的给 ArrayList 分配容量,即数组容量扩为10。
/***默认构造函数,使用初始容量10构造一个空列表(无参数构造)*/
public ArrayList() {this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
/*** 带初始容量参数的构造函数。(用户自己指定容量)*/
public ArrayList(int initialCapacity) {if (initialCapacity > 0) {//初始容量大于0//创建initialCapacity大小的数组this.elementData = new Object[initialCapacity];} else if (initialCapacity == 0) {//初始容量等于0//创建空数组this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;} else {//初始容量小于0,抛出异常throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+initialCapacity);}
}/***构造包含指定collection元素的列表,这些元素利用该集合的迭代器按顺序返回*如果指定的集合为null,throws NullPointerException。*/
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;}
}
/*** 将指定的元素追加到此数组的末尾。*/
public boolean add(E e) {//在增加元素前,先调用ensureCapacityInternal方法ensureCapacityInternal(size + 1); elementData[size++] = e;return true;
}private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {//比较当前元素个数和默认元素个数,如果小于10,则将最小容量设为默认值10if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);}//继续调用 ensureExplicitCapacity()方法ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {modCount++;// overflow-conscious code//如果大于当前数组默认长度,则进行扩容,调用grow()方法if (minCapacity - elementData.length > 0)grow(minCapacity);
}
/*** 要分配的最大数组大小*/
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;private void grow(int minCapacity) {// overflow-conscious codeint oldCapacity = elementData.length;//在以前的容量基础上增加旧容量的1/2int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);//检查比较新容量与最小容量的大小,取大值if (newCapacity - minCapacity < 0)newCapacity = minCapacity;//更新完新容量后,比较是否大于最大数组大小 Integer.MAX_VALUE - 8if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)//若大于最大数组大小,则调用hugeCapacity()方法newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);// minCapacity is usually close to size, so this is a win:elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}private static int hugeCapacity(int minCapacity) {if (minCapacity < 0) // overflowthrow new OutOfMemoryError();//对minCapacity和MAX_ARRAY_SIZE进行比较//若minCapacity大,将Integer.MAX_VALUE作为新数组的大小//若MAX_ARRAY_SIZE大,将MAX_ARRAY_SIZE作为新数组的大小//MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?Integer.MAX_VALUE :MAX_ARRAY_SIZE;
}
四、ArrayList 相关面试题
1. System.arraycopy() 和 Arrays.copyOf() 的区别
联系:
看两者源代码可以发现 copyOf()
内部实际调用了 System.arraycopy()
方法
区别:
arraycopy()
需要目标数组,将原数组拷贝到你自己定义的数组里或者原数组,而且可以选择拷贝的起点和长度以及放入新数组中的位置 copyOf()
是系统自动在内部新建一个数组,并返回该数组。
2. ArrayList 和 LinkedList 的区别
- 是否保证线程安全:
ArrayList
和LinkedList
都是不同步的,也就是不保证线程安全; - 底层数据结构:
Arraylist
底层使用的是Object
数组;LinkedList
底层使用的是 双向链表 数据结构(JDK1.6 之前为循环链表,JDK1.7 取消了循环。注意双向链表和双向循环链表的区别,下面有介绍到!) - 插入和删除是否受元素位置的影响: ①
ArrayList
采用数组存储,所以插入和删除元素的时间复杂度受元素位置的影响。 比如:执行add(E e)
方法的时候,ArrayList
会默认在将指定的元素追加到此列表的末尾,这种情况时间复杂度就是 O(1)。但是如果要在指定位置 i 插入和删除元素的话(add(int index, E element)
)时间复杂度就为 O(n-i)。因为在进行上述操作的时候集合中第 i 和第 i 个元素之后的(n-i)个元素都要执行向后位/向前移一位的操作。 ②LinkedList
采用链表存储,所以对于add(E e)
方法的插入,删除元素时间复杂度不受元素位置的影响,近似 O(1),如果是要在指定位置i
插入和删除元素的话((add(int index, E element)
) 时间复杂度近似为o(n))
因为需要先移动到指定位置再插入。 - 是否支持快速随机访问:
LinkedList
不支持高效的随机元素访问,而ArrayList
支持。快速随机访问就是通过元素的序号快速获取元素对象(对应于get(int index)
方法)。 - 内存空间占用:
ArrayList
的空 间浪费主要体现在在 list 列表的结尾会预留一定的容量空间,而LinkedList
的空间花费则体现在它的每一个元素都需要消耗比ArrayList
更多的空间(因为要存放直接后继和直接前驱以及数据)。
3. ArrayList 和 Vector 的区别
ArrayList
是List
的主要实现类,底层使用Object[ ]
存储,适用于频繁的查找工作,线程不安全 ;Vector
是List
的古老实现类,底层使用Object[ ]
存储,线程安全的。如下代码带有synchronized
同步锁,能够保证线程安全。
public synchronized void ensureCapacity(int minCapacity) {if (minCapacity > 0) {modCount++;ensureCapacityHelper(minCapacity);}
}
4. ArrayList 和 CopyOnWriteArrayList 的区别
CopyOnWriteArrayList 和 Vector 一样也是线程安全的 List 。它在 java.util.concurrent 的包下。它的线程安全主要是通过读写分离来实现的。写操作在一个复制的数组上实现(加锁),读操作还是在原数组中进行。
public boolean add(E e) {final ReentrantLock lock = this.lock;lock.lock();try {Object[] elements = getArray();int len = elements.length;Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);newElements[len] = e;setArray(newElements);return true;} finally {lock.unlock();}
}final void setArray(Object[] a) {array = a;
}
特点:适合读多写少的应用场景
缺点:
- 内存占用:在写操作时需要复制一个新的数组,使得内存占用为原来的两倍左右;
- 数据不一致:读操作不能读取实时性的数据,因为部分写操作的数据还未同步到读数组中;
五、参考资料
ArrayList 扩容机制分析
Java ArrayList