Android 开发也要懂得数据结构 - ArrayList源码

  • Android 开发,ArrayList 是最常用的数据结构之一,所以我们需要了解一下ArrayList的知识。
  • LinkList源码分析点击这里
  • 本文章使用的是 JDK1.8 ,不同版本源码有差异。

1.ArrayList特点

  • ArrayList是顺序表,支持随机访问,所以查找速度快,set、get操作速度快。
  • ArrayList尾部插入删除的速度快,但中间插入、删除的效率低,因为要移动后面的元素。
  • Android开发中,如果大部分是查找操作,就适合使用ArrayList,插入删除多的适合使用LinkList。
  • ArrayList是非线程安全的,Vector线程安全。
  • 查看源码我们才能了解扩容机制等知识。

2.ArrayList的继承关系

  • 下图是ArrayList的继承关系,可以查看源码找到下面的关系。


    image.png

3.ArrayList的常用方法

3.1 构造方法

  • 填写容量大小的构造方法,就指定了初始的容量,如果你知道自己需要多大的数据时,最好初始化就填入这个值,因为不写的话,后面每次扩容,还是需要消耗一些性能与资源的。写了大小就一步到位,省去扩容的操作。
    /**
     * Constructs an empty list with the specified initial capacity.
     *
     * @param  initialCapacity  the initial capacity of the list
     * @throws IllegalArgumentException if the specified initial capacity
     *         is negative
     */
    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);
        }
    }
  • 在不填写传入参数时,ArrayList就是 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA ,默认数组大小为0,但是注释给的是默认大小10,add时再说。
    /**
     * 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 = {};

    /**
     * Constructs an empty list with an initial capacity of ten.
     */
    public ArrayList() {
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
  • 构造方法也能传入 Collection 类,实现转化。
    /**
     * Constructs a list containing the elements of the specified
     * collection, in the order they are returned by the collection's
     * iterator.
     *
     * @param c the collection whose elements are to be placed into this list
     * @throws NullPointerException if the specified collection is null
     */
    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;
        }
    }

3.2 尾部插入 add(E e)

  • ArrayList创建的时候,默认数组大小是0,但add操作时,数组会扩容到10。
  • 通过源码可以看到,add时,如果数组是 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA ,就会进行第一次扩容,大小为 DEFAULT_CAPACITY ,也就是10。
    /**
     * Default initial capacity.
     */
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

    /**
     * Appends the specified element to the end of this list.
     *
     * @param e element to be appended to this list
     * @return <tt>true</tt> (as specified by {@link Collection#add})
     */
    public boolean add(E e) {
        //判断容量大小是否放得下
        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)
            //大小不够,需要扩容
            grow(minCapacity);
    }

3.3 中间插入 add(int index, E element)

  • 如果插入的 index 越界了,就会报异常。
  • 插入后,如果索引位置后侧有数据,那这些数据都要移动 arraycopy
    /**
     * Inserts the specified element at the specified position in this
     * list. Shifts the element currently at that position (if any) and
     * any subsequent elements to the right (adds one to their indices).
     *
     * @param index index at which the specified element is to be inserted
     * @param element element to be inserted
     * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
     */
    public void add(int index, E element) {
        if (index > size || index < 0)
            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));

        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                         size - index);
        elementData[index] = element;
        size++;
    }

3.4 扩容 grow(int minCapacity)

  • ArrayList大小不够用的时候,就会扩容,大小为原来的1.5倍(老数组大小 + 老数组右移一位,就是除以2),位运算速度更快。
  • 如果扩容1.5倍依然不够用,就把需要最低的大小设置为扩容大小。
  • 如果大小超过了 MAX_ARRAY_SIZE (这是非常大的数,可能会超过虚拟机内存大小),就判断是否大于 Integer.MAX_VALUE ,是就用 Integer.MAX_VALUE ,否则用 MAX_ARRAY_SIZE 作为数组大小。
  • 然后再将老的数据 copy 到新的数组。
    /**
     * The maximum size of array to allocate.
     * Some VMs reserve some header words in an array.
     * Attempts to allocate larger arrays may result in
     * OutOfMemoryError: Requested array size exceeds VM limit
     */
    private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;


    /**
     * Increases the capacity to ensure that it can hold at least the
     * number of elements specified by the minimum capacity argument.
     *
     * @param minCapacity the desired minimum capacity
     */
    private void grow(int minCapacity) {
        // overflow-conscious code
        int oldCapacity = elementData.length;
        //新的大小为老数组大小 + 老数组右移一位
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        //如果扩容1.5倍依然不够用,就把需要最低的大小设置为扩容大小。
        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);
    }

    private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
        if (minCapacity < 0) // overflow
            throw new OutOfMemoryError();
       //如果minCapacity大于Integer.MAX_VALUE,就用Integer.MAX_VALUE,否则用MAX_ARRAY_SIZE
        return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
            Integer.MAX_VALUE :
            MAX_ARRAY_SIZE;
    }

3.5 获取元素 get(int index)

  • 直接返回数组下标对应的元素,如果index 大于长度,报异常。
    /**
     * Returns the element at the specified position in this list.
     *
     * @param  index index of the element to return
     * @return the element at the specified position in this list
     * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
     */
    public E get(int index) {
        if (index >= size)
            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));

        return (E) elementData[index];
    }

3.6 删除索引位置 remove(int index)

  • 删除指定位置的数据,删除的位置如果是中间,索引位置后面的元素就要往前移动。
    /**
     * Removes the element at the specified position in this list.
     * Shifts any subsequent elements to the left (subtracts one from their
     * indices).
     *
     * @param index the index of the element to be removed
     * @return the element that was removed from the list
     * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
     */
    public E remove(int index) {
        if (index >= size)
            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));

        modCount++;
        E oldValue = (E) 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;
    }

3.7 删除指定元素 remove(Object o)

  • 这个删除操作就需要遍历所有数据,找到指定的数据进行删除,相比 remove(int index) 效率低。
  • ArrayList是可以存放 null 的。
    /**
     * Removes the first occurrence of the specified element from this list,
     * if it is present.  If the list does not contain the element, it is
     * unchanged.  More formally, removes the element with the lowest index
     * <tt>i</tt> such that
     * <tt>(o==null&nbsp;?&nbsp;get(i)==null&nbsp;:&nbsp;o.equals(get(i)))</tt>
     * (if such an element exists).  Returns <tt>true</tt> if this list
     * contained the specified element (or equivalently, if this list
     * changed as a result of the call).
     *
     * @param o element to be removed from this list, if present
     * @return <tt>true</tt> if this list contained the specified element
     */
    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;
    }

3.8 修改元素 set(int index, E element)

  • 修改索引位置的元素。
    /**
     * Replaces the element at the specified position in this list with
     * the specified element.
     *
     * @param index index of the element to replace
     * @param element element to be stored at the specified position
     * @return the element previously at the specified position
     * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
     */
    public E set(int index, E element) {
        if (index >= size)
            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));

        E oldValue = (E) elementData[index];
        elementData[index] = element;
        return oldValue;
    }

3.9 内容长度 size()

  • 注意这是返回的是元素的长度,而不是数组的长度。
    /**
     * Returns the number of elements in this list.
     *
     * @return the number of elements in this list
     */
    public int size() {
        return size;
    }

3.10 判断是否为空 isEmpty()

  • 用的就是 size 是否为 0 来判断,这个方法注意,ArrayList 为空指针时,调这个方法就会报空指针异常。
    /**
     * Returns <tt>true</tt> if this list contains no elements.
     *
     * @return <tt>true</tt> if this list contains no elements
     */
    public boolean isEmpty() {
        return size == 0;
    }

3.11 清空列表 clear()

  • 循环将所有索引位置的数据设为 null ,但容量还是在的。
    /**
     * Removes all of the elements from this list.  The list will
     * be empty after this call returns.
     */
    public void clear() {
        modCount++;

        // clear to let GC do its work
        for (int i = 0; i < size; i++)
            elementData[i] = null;

        size = 0;
    }

3.12 转化为数组 toArray()

    /**
     * Returns an array containing all of the elements in this list
     * in proper sequence (from first to last element).
     *
     * <p>The returned array will be "safe" in that no references to it are
     * maintained by this list.  (In other words, this method must allocate
     * a new array).  The caller is thus free to modify the returned array.
     *
     * <p>This method acts as bridge between array-based and collection-based
     * APIs.
     *
     * @return an array containing all of the elements in this list in
     *         proper sequence
     */
    public Object[] toArray() {
        return Arrays.copyOf(elementData, size);
    }

3.13 找到元素的下标 indexOf(Object o)

  • 返回指定元素第一次出现的索引。
  • 如果此列表不包含元素,则返回-1。
    /**
     * Returns the index of the first occurrence of the specified element
     * in this list, or -1 if this list does not contain the element.
     * More formally, returns the lowest index <tt>i</tt> such that
     * <tt>(o==null&nbsp;?&nbsp;get(i)==null&nbsp;:&nbsp;o.equals(get(i)))</tt>,
     * or -1 if there is no such 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;
    }

3.14 是否包含元素 contains(Object o)

  • 使用的是 ** index** 方法,至少有一个元素就返回 ** true** 。
    /**
     * Returns <tt>true</tt> if this list contains the specified element.
     * More formally, returns <tt>true</tt> if and only if this list contains
     * at least one element <tt>e</tt> such that
     * <tt>(o==null&nbsp;?&nbsp;e==null&nbsp;:&nbsp;o.equals(e))</tt>.
     *
     * @param o element whose presence in this list is to be tested
     * @return <tt>true</tt> if this list contains the specified element
     */
    public boolean contains(Object o) {
        return indexOf(o) >= 0;
    }

3.15 index,contains注意事项

  • indexlastIndexOf ,contains 方法需要重写对象的 equals 方法。

3.16 批量添加数据 addAll(Collection<? extends E> c)

  • 在队列尾部批量添加数据
    /**
     * Appends all of the elements in the specified collection to the end of
     * this list, in the order that they are returned by the
     * specified collection's Iterator.  The behavior of this operation is
     * undefined if the specified collection is modified while the operation
     * is in progress.  (This implies that the behavior of this call is
     * undefined if the specified collection is this list, and this
     * list is nonempty.)
     *
     * @param c collection containing elements to be added to this list
     * @return <tt>true</tt> if this list changed as a result of the call
     * @throws NullPointerException if the specified collection is null
     */
    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;
    }

3.17 在中间批量插入数据 addAll(int index, Collection<? extends E> c)

  • 在中间批量插入数据,索引后面的元素全部后移。
    /**
     * Inserts all of the elements in the specified collection into this
     * list, starting at the specified position.  Shifts the element
     * currently at that position (if any) and any subsequent elements to
     * the right (increases their indices).  The new elements will appear
     * in the list in the order that they are returned by the
     * specified collection's iterator.
     *
     * @param index index at which to insert the first element from the
     *              specified collection
     * @param c collection containing elements to be added to this list
     * @return <tt>true</tt> if this list changed as a result of the call
     * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
     * @throws NullPointerException if the specified collection is null
     */
    public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
        if (index > size || index < 0)
            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(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;
    }
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