提高Java编程效率：ArrayList类的使用技巧

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前言

在Java开发中，我们经常需要使用集合类来存储和操作数据。而ArrayList类是Java中最常用的集合类之一。本文将对ArrayList类进行详细讲解，帮助读者更好地了解并应用ArrayList类。

摘要

本文将介绍Java中的ArrayList类，包括其基本概念、实现原理和应用场景，同时对ArrayList类的优缺点进行分析，最后提供ArrayList类的类代码方法介绍和测试用例，以及全文小结和总结。

ArrayList类

简介

ArrayList是Java语言中的一个集合类，属于Java Collections Framework中的List接口的实现类。与数组相比，ArrayList类具有动态扩容、插入和删除元素方便等优点。ArrayList类底层是使用数组来实现的，因此其性能与数组相当。

源代码解析

ArrayList类的定义

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

从上面的代码可以看出，ArrayList类实现了List接口和RandomAccess接口，同时继承了AbstractList类，实现了Cloneable和Serializable接口。

如下是部分源码截图：

在这里插入图片描述

动态扩容实现

在ArrayList类中，需要使用数组来存储数据，但是数组创建时需要指定长度，因此无法支持动态扩容。为了解决这个问题，ArrayList类将数组的容量设置为默认值10。当数据存储空间不足时，ArrayList类会通过grow方法动态调整数组长度。

private void grow(int minCapacity) {
    int oldCapacity = elementData.length;
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    // 将原数组复制到新数组
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

在上述代码中，grow方法会根据当前数组长度计算出新的数组长度，然后调用Arrays.copyOf方法将原数组中的元素复制到新数组中。需要注意的是，新数组长度不能超过MAX_ARRAY_SIZE，否则会抛出OutofMemoryError异常。
如下是部分源码截图：

在这里插入图片描述

插入和删除元素实现

对于插入和删除元素操作，ArrayList类提供了add和remove方法。

public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // 是否需要扩容
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

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; //清空最后一个元素

    return oldValue;
}

在上述代码中，add方法中的ensureCapacityInternal方法判断当前数组长度是否满足需求，如果数组空间不足，则会调用grow方法对数组进行扩容。然后将新元素添加到数组末尾。remove方法中会先检查下标是否合法，然后将待删除元素后面的元素依次向前移动一位，然后将最后一个元素位置清空。

应用场景案例

ArrayList类适用于存储数量不确定的数据，并且需要随时对数据进行插入和删除操作的场景。例如，需要存储动态数据集合或读取数据文件时，ArrayList都是很好的选择。

优缺点分析

优点

支持动态扩容，可以动态增加存储空间。
插入和删除元素方便，不需要自行维护数组下标。
可以存储任意类型的数据，具有泛型特性。
支持快速随机访问元素。

缺点

数组默认长度为10，如果预估数量过多，需要手动调用ensureCapacity方法进行扩容，否则可能会发生内存溢出。
插入和删除元素时，需要将元素后面的元素全部向前或向后移动，性能会受到影响。

类代码方法介绍

构造方法

public ArrayList() {
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

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);
    }
}

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;
    }
}

增加元素方法

public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);
    elementData[size++] = e;
    return true;
}
public void add(int index, E element) {
    rangeCheckForAdd(index);

    ensureCapacityInternal(size + 1);  // 是否需要扩容
    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                     size - index);
    elementData[index] = element;
    size++;
}

拓展：

如上是 Java 中 ArrayList 类的 add 方法的两个重载版本。

第一个方法 add(E e) 是在列表末尾添加元素，它首先会调用 ensureCapacityInternal 方法来确保内部数组 elementData 的容量足够存放新的元素。如果容量不够，则进行扩容操作。然后将元素添加到数组的末尾，最后返回 true。

第二个方法 add(int index, E element) 是在指定位置添加元素，它首先会调用 rangeCheckForAdd 方法来检查指定的位置是否越界。然后调用 ensureCapacityInternal 方法确保数组容量足够，接着使用 System.arraycopy 方法将指定位置及其后面的元素向后移动一个位置。最后在指定位置插入新元素，更新列表的大小。

删除元素方法

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;
}

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;
}

拓展：

这段代码是ArrayList类中的remove方法，可以用来从列表中删除指定对象或指定索引位置的元素。下面对代码进行分析：

remove(Object o)方法：

如果要删除的对象o为null，则使用for循环遍历整个列表，如果找到了值为null的元素，则调用fastRemove方法快速删除该元素，并返回true；否则返回false。
如果要删除的对象o不为null，则使用for循环遍历整个列表，如果找到了与o相等的元素，则调用fastRemove方法快速删除该元素，并返回true；否则返回false。

remove(int index)方法：

首先使用rangeCheck方法检查索引index是否有效，如果无效则抛出IndexOutOfBoundsException异常。
然后对modCount进行自增操作，表示列表结构已经发生了变化。
接着获取索引位置为index的元素的值oldValue。
如果要删除的元素不在列表末尾，则使用System.arraycopy方法将该元素后面的所有元素向前移动一位，从而删除该元素。
最后将列表的长度减1，并将最后一个元素设为null，以便让垃圾回收机制处理该元素。

总体来说，这段代码的实现比较简单，其中重点在于快速删除元素的实现，即fastRemove方法。

元素查找方法

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;
}

public boolean contains(Object o) {
    return indexOf(o) >= 0;
}

拓展：

上述代码中，定义了一个名为indexOf的方法，该方法返回对象o在数组elementData中第一次出现的索引位置，如果数组中不包含该对象，则返回-1。如果o为null，则遍历数组并查找为空的元素，若找到，则返回其索引位置。如果o不为null，则遍历数组并使用equals方法比较元素，若找到相等的元素，则返回其索引位置。

同时，该代码还定义了一个名为contains的方法，该方法调用indexOf方法来判断数组中是否包含对象o，并返回一个布尔值。如果返回值大于等于0，则表示数组中包含该对象，返回true；否则，返回false。

测试用例

测试代码演示

package com.example.javase.se.classes;

import java.util.ArrayList;

/**
 * @Author ms
 * @Date 2023-11-02 19:13
 */
public class ArrayListTest {

    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
        // Test add
        list.add("Hello");
        list.add("World");
        list.add("Java");
        System.out.println(list.get(0)); // Output: Hello
        System.out.println(list.get(1)); // Output: World
        System.out.println(list.get(2)); // Output: Java

        // Test remove
        list.remove(2);
        System.out.println(list.contains("Java")); // Output: false

        // Test indexOf
        System.out.println(list.indexOf("World")); // Output: 1
    }
}

测试结果

根据如上测试用例，本地测试结果如下，仅供参考，你们也可以自行修改测试用例或者添加更多的测试数据或测试方法，进行熟练学习以此加深理解。

在这里插入图片描述

测试代码分析

根据如上测试用例，在此我给大家进行深入详细的解读一下测试代码，以便于更多的同学能够理解并加深印象。

该代码定义了一个名为ArrayListTest的类，用于测试ArrayList的基本操作。在主方法中，首先创建了一个ArrayList<String>对象，并用add()方法添加了三个字符串元素：“Hello”、“World"和"Java”。

然后又测试了remove()方法，将索引为2的元素（即"Java"）从集合中移除，并使用contains()方法验证该元素是否存在，输出结果为false。

最后，测试了indexOf()方法，查找"World"在集合中的索引位置，输出结果为1。

小结

ArrayList是Java中最常用的集合类之一，底层是由数组实现的。
ArrayList支持动态扩容，插入和删除元素方便，可以存储任何类型的数据。
ArrayList的优点是支持动态扩容，插入和删除元素方便，可以存储任何类型的数据，同时支持快速访问元素。
ArrayList的缺点是默认长度为10，如果预估数量过多，需要手动扩容，扩容时需要移动数据，性能受到影响。

总结

本文对Java中的ArrayList类进行了详细介绍，包括其定义、实现原理、应用场景、优缺点分析、常用方法等。ArrayList类是Java中最常用的集合类之一，它具有动态扩容功能和插入、删除元素方便等优点，适用于存储数量不确定的数据，并需要随时对数据进行插入和删除操作的场景。需要注意的是，在使用ArrayList类时需要注意预估存储数据的数量，并在必要时手动调用ensureCapacity方法进行扩容，否则可能会发生内存溢出。

本文还提供了ArrayList类的构造方法、增加元素方法、删除元素方法和元素查找方法等代码实现，并提供了测试用例帮助读者更好地了解和应用ArrayList类。

最后，希望通过本文的介绍，读者对ArrayList类有更深入的了解，并能在实际开发中充分利用其优点，避免其缺点，提高程序的性能和效率。

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