最常用集合 - arraylist详解
ArrayList介绍
ArrayList实现了List接口，是顺序容器，即元素存放的数据与放进去的顺序相同，允许放入null元素，底层通过数组实现。除该类未实现同步外，其余跟Vector大致相同。每个ArrayList都有一个容量(capacity)，表示底层数组的实际大小，容器内存储元素的个数不能多于当前容量。当向容器中添加元素时，如果容量不足，容器会自动增大底层数组的大小。
ArrayList 在JDK1.8 前后的实现区别：
- JDK1.7：像饿汉式，直接创建一个初始容量为10的数组
- JDK1.8：像懒汉式，一开始创建一个长度为0的数组，当添加add第一个元素时再创建一个初始容量为10的数组
size(), isEmpty(), get(), set()方法均能在常数时间内完成，add()方法的时间开销跟插入位置有关，addAll()方法的时间开销跟添加元素的个数成正比。其余方法大都是线性时间。
为追求效率，ArrayList没有实现同步(synchronized)，如果需要多个线程并发访问，用户可以手动同步，也可使用Vector替代
底层原理介绍
底层数据结构
//集合默认容量10；
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
//空数组
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
//默认容量的空的数组
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
// 集合中真实存储数据的数组
transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
//集合中元素的个数，注意，这里不是数组的长度
private int size;
构造方法
public ArrayList() {
//将属性中默认的空的数组赋值给了 存储数据的变量
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
//等价于this.elementData = {}
}
//有参构造
public ArrayList(int initialCapacity) {
//给定初始容量，就创建一个这个容量大小的数组
if (initialCapacity > 0) {
this.elementData = new Object[initialCapacity];
} else if (initialCapacity == 0) {
//如果传递的是0 就将{}赋值给elementData
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
//等价于this.elementData = {}
} else {
//如果传递的是负数，就会抛异常
//java.lang.IllegalArgumentException: Illegal Capacity: -20
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+ initialCapacity);
}
}
自动扩容
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。
private void grow(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length;
//动态扩容，扩容为原来的1.5倍，右移一位即原来的一半
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
//判断新容量是否会超过最大限制
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);//数组的复制操作
}
扩容方法流程：
-
首先获取数组长度
-
将数组新容量扩容为原数组容量的1.5倍取整
-
将新容量和当前所需最小容量做对比，(最小容量是在add方法中得到的，minCapacity=size+1，即原数组中元素数量加1)，而newCapacity=elementData.length*1.5，一般来说肯定是1.5倍比+1的大。但是这里要考虑当数组为空时的情况。数组为空又分为两种情况：①指定了数组容量为0 ②没有显式指定数组大小。
-
当数组为空时进行插入操作，因为元素个数size为0，数组容量也为0，那么就会进行扩容操作，对于空数组，扩容1.5倍后你的容量还是为0，那么此时就会小于我所需的最小容量（也就是1）,此时会令 newCapacity = minCapacity;
-
而对于①，传入到grow方法的minCapacity = 1 ，因此它扩容后的容量就是1
-
对于②，在ensureCapacityInternal方法中，使minCapacity = DEFAULT_CAPACITY（10），因此扩容后的数组长度就是DEFAULT_CAPACITY，也就是10。
- 原因在于在有参构造方法中使this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;（无参构造方法中this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;），此时在ensureCapacityInternal方法中会对this.elementData进行判断，因此对于①，传入到grow方法的minCapacity = 1；而对于②，minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity)，即minCapacity = 10
-
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
//比较大小，此时 minCapacity = 10
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
- 最后判断新容量大小是否大于默认数组的最大值（Integer.MAX_VALUE-8），则赋予它整型的最大值
- 扩容之后，会调用Arrays.copyOf()方法对数组进行拷贝。
实际上，对数组的copy需要创建一个新数组，并对原数组进行复制的操作，这会造成资源消耗。因此在添加大量元素前，建议使用ensureCapacity操作先增加 ArrayList 实例的容量，先进行稍少量数组数据的copy，再添加元素
add(), addAll()
add 操作可能会导致capacity不足，因此在添加元素之前，都需要进行剩余空间检查，如果需要则自动扩容。扩容操作最终是通过grow()方法完成的。
假设使用的是空参构造，第一次添加元素 add(1)
public boolean add(E e) {
//确保内部容量 0 + 1
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
//将要添加的元素添加到数组有数据的下一个位置
elementData[size++] = e;
return true;
}
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {//第一次添加： minCapacity = 1
//有参构造的情况：new Object[10] != {}，不会执行if内的语句。即使有参构造给的是0，也不会执行，因为此时elementData = EMPTY_ELEMENTDATA，不等于DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
// 无参构造的情况下：{} = {} 会执行Math.max语句
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
//比较大小，此时 minCapacity = 10
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
//明确数组的容量
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
modCount++;//记录当前集合操作的次数
// overflow-conscious code
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);//扩容操作
}
addAll()方法能够一次添加多个元素，根据位置不同也有两个版本，
-
在末尾添加的addAll(Collection<? extends E> c)方法，
-
从指定位置开始插入的addAll(int index, Collection<? extends E> c)方法
跟add()方法类似，在插入之前也需要进行空间检查，如果需要则自动扩容；如果从指定位置插入，也会存在移动元素的情况。 addAll()的时间复杂度不仅跟插入元素的多少有关，也跟插入的位置相关。
set()
由于底层是数组，因此set()方法就是直接对数组的指定位置赋值。
public E set(int index, E element) {
rangeCheck(index);//下标越界检查
E oldValue = elementData(index);
elementData[index] = element;//赋值到指定位置，复制的仅仅是引用
return oldValue;
}
get()
由于底层是数组，get()方法也是直接从数组索引处获取值，唯一要注意的是由于底层数组是Object[]，得到元素后需要进行类型转换。
public E get(int index) {
rangeCheck(index);
return (E) elementData[index];//注意类型转换
}
remove方法
remove()方法也有两个
-
remove(int index)删除指定位置的元素，
-
remove(Object o)删除第一个满足o.equals(elementData[index])的元素。
删除操作是add()操作的逆过程，会需要将删除点之后的元素向前移动一个位置
public E remove(int index) {
rangeCheck(index);
modCount++;
E oldValue = elementData(index);
int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0)
//判断要删除的索引是否是最后一个，，如果不是最后一个，就需要进行数组的复制操作
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
numMoved);
//然后把最后一个元素置为空，让GC起作用
elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
return oldValue;
}
trimToSize()
将底层数组的容量调整为当前列表保存的实际元素的大小的功能
/**
* Trims the capacity of this <tt>ArrayList</tt> instance to be the
* list's current size. An application can use this operation to minimize
* the storage of an <tt>ArrayList</tt> instance.
*/
public void trimToSize() {
modCount++;
if (size < elementData.length) {
elementData = (size == 0)
? EMPTY_ELEMENTDATA
: Arrays.copyOf(elementData, size);
}
}
indexOf(), lastIndexOf()
获取元素的第一次出现的index:
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;
}
获取元素的最后一次出现的index:
public int lastIndexOf(Object o) {
if (o == null) {
for (int i = size-1; i >= 0; i--)
if (elementData[i]==null)
return i;
} else {
for (int i = size-1; i >= 0; i--)
if (o.equals(elementData[i]))
return i;
}
return -1;
}
遍历时删除（添加）常见陷阱
for循环遍历list
删除某个元素后，list的大小发生了变化，而索引也在变化，所以会导致遍历的时候漏掉某些元素。比如当删除第1个元素后，继续根据索引访问第2个元素时，因为删除的关系后面的元素都往前移动了一位，所以实际访问的是第3个元素。因此，这种方式可以用在删除特定的一个元素时使用，但不适合循环删除多个元素时使用。
for(int i=0;i<list.size();i++){
if(list.get(i).equals("del"))
list.remove(i);
}
解决办法：
//从list最后一个元素开始遍历
//从list最后一个元素开始遍历
for(int i=list.size()-1;i>+0;i--){
if(list.get(i).equals("del"))
list.remove(i);
}
增强for循环
删除元素后继续循环会抛异常java.util.ConcurrentModificationException，因为元素在使用的时候发生了并发的修改
for(String x:list){
if(x.equals("del"))
list.remove(x);
}
解决方法：但只能删除一个"del"元素
//解决：删除完毕马上使用break跳出，则不会触发报错
for(String x:list){
if (x.equals("del")) {
list.remove(x);
break;
}
}
iterator遍历
这种方式可以正常的循环及删除。但要注意的是，使用iterator的remove方法，如果用list的remove方法同样会报上面提到的ConcurrentModificationException错误。
Iterator<String> it = list.iterator();
while(it.hasNext()){
String x = it.next();
if(x.equals("del")){
it.remove();
}
}
FailFast机制
上面提到的ConcurrentModificationException异常，都是有这个机制的存在，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。
fail-fast 机制是java集合(Collection)中的一种错误机制。当多个线程对同一个集合的内容进行操作时，就可能会产生fail-fast事件。例如：当某一个线程A通过iterator去遍历某集合的过程中，若该集合的内容被其他线程所改变了；那么线程A遍历集合时，即出现expectedModCount != modCount 时，就会抛出ConcurrentModificationException异常，产生fail-fast事件。
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
fail-fast 机制并不保证在不同步的修改下抛出异常，他只是尽最大努力去抛出，所以这种机制一般仅用于检测 bug
解决 fail-fast的解决方案：
- 在遍历过程中所有涉及到改变modCount值得地方全部加上synchronized或者直接使用Collections.synchronizedList，这样就可以解决(实际上Vector结构就是这样实现的)。但是不推荐，因为增删造成的同步锁可能会阻塞遍历操作。
List<Integer> arrsyn = Collections.synchronizedList(arr);
- 使用CopyOnWriteArrayList来替换ArrayList。推荐使用该方案。CopyOnWriteArrayList是兼顾了并发的线程安全
ArrayList和Vector和CopyOnWriteArrayList和LinkedList
继承关系结构图：
ArrayList和Vector和CopyOnWriteArrayList的区别：
-
ArrayList非线程安全的，如果需要考虑到线程安全问题，那么可以使用Vector和CopyOnWriteArrayList；
-
Vector和CopyOnWriteArrayList的区别是：Vector增删改查方法都加了synchronized，保证同步，但是每个方法执行的时候都要去获得锁，性能就会大大下降，而CopyOnWriteArrayList 只是在增删改上加锁，但是读不加锁，在读方面的性能就好于Vector，CopyOnWriteArrayList支持读多写少的并发情况。
ArrayList和LinkedList的区别：
-
ArrayList基于动态数组实现；
-
LinkedList基于链表实现。对于随机index访问的get和set方法，ArrayList的速度要优于LinkedList。因为ArrayList直接通过数组下标直接找到元素；LinkedList要移动指针遍历每个元素直到找到为止。
-
对于 add(int index, E element)，remove(int index)的操作：LinkedList 和 ArrayList的时间复杂度一样，都是O(n)；虽然时间复杂度一样，但实际执行时间是不一样的，如下代码所示：
List<Integer> a = Lists.newArrayList(); List<Integer> b = Lists.newLinkedList(); Random r = new Random(); a.add(0); b.add(0); long startTime = System.currentTimeMillis(); for (int i = 0; i <= 20000; i++) { int p = r.nextInt(a.size()); a.add(p, 0); } System.out.println(System.currentTimeMillis() - startTime);// 6 startTime = System.currentTimeMillis(); for (int i = 0; i <= 20000; i++) { int p = r.nextInt(b.size()); b.add(p, 0); } System.out.println(System.currentTimeMillis() - startTime);// 205虽然ArrayList在索引位置新增或删除数据时需要移动数据（往前移、往后移），但是在连续内存中的块的数据，是可以操作整片内存的。而LinkedList需要一个一个的先查找到具体索引位置的元素，所以在寻址方面数组的效率高于链表。
-
对于add新增元素：理论上来说LinkedList的速度（O(1)）要优于ArrayList（O(n)），因为ArrayList在新增和删除元素时，可能会扩容和复制数组；LinkedList只需要修改指针即可。但在实际测试中，在数据量小的情况下，两者执行时间几乎一致；增大数据量后，就能看出区别了，如下代码所示：
List<Integer> a = Lists.newArrayList(); List<Integer> b = Lists.newLinkedList(); a.add(0); b.add(0); long startTime = System.currentTimeMillis(); for (int i = 0; i <= 2000000; i++) { int p = r.nextInt(a.size()); a.add(0); } System.out.println(System.currentTimeMillis() - startTime);// 34 startTime = System.currentTimeMillis(); for (int i = 0; i <= 2000000; i++) { int p = r.nextInt(b.size()); b.add(0); } System.out.println(System.currentTimeMillis() - startTime);// 271
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