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js
环境说明：Windows 10 + IntelliJ IDEA 2021.3.2 + Jdk 1.8前言
在Java开发中，ArrayList是一种常见的数据结构。它可以动态地增加或删除元素，十分方便。但是，要想熟练掌握ArrayList的使用，不仅要了解常用的操作技巧和方法，还需要深入理解它的实现原理。本文就旨在帮助读者更好地掌握ArrayList，快速地进行开发。
摘要
本文首先介绍了ArrayList的定义和特点，然后详细描述了它的常用操作技巧和方法，包括添加元素、删除元素、遍历元素、查找元素等。接下来，通过源代码解析让读者了解ArrayList的底层实现原理，进一步理解它的性能和使用限制。进一步，本文通过应用场景案例分析，探讨ArrayList的使用场景和优缺点，以帮助读者在实际开发中更好地选择数据结构。最后，通过测试用例和全文小结，对本文内容进行总结，让读者更好地掌握ArrayList的使用方法和技巧。
ArrayList
概述
ArrayList是Java中的一个类，它继承了AbstractList类，并且实现了List接口。它是一个动态数组，数组长度可以动态增加和缩小，它可以对数组中的元素进行增、删、改、查等操作。ArrayList可以存储任意类型的对象。
特点
ArrayList的特点包括：
- 可变长度：ArrayList的长度是可变的，可以动态增加或缩小。
- 重复元素：ArrayList中可以存储重复的元素。
- 线程不安全：ArrayList不是线程安全的，如果有多个线程同时访问同一个ArrayList实例，可能会出现竞争条件。
- 非同步：ArrayList不是同步的，不保证多个线程并发访问时的安全性。
- 查找元素效率高：通过索引可以快速查找元素，时间复杂度为O(1)。
源代码解析
ArrayList的底层实现是基于数组的，具体来说，它是通过一个Object类型的数组来存储元素的。在第一次添加元素时，会创建一个默认长度为10的数组，当数组空间不足时，会创建一个长度为原来数组长度+原来数组长度/2的新数组，并将原来数组中的元素复制到新数组中。在删除元素时，会将该元素后面的所有元素前移，如果删除的元素位于数组中间，则需要复制这两部分，同时更新数组长度。
ArrayList是Java集合框架中的一种数据结构，它基于数组实现，动态增长。下面是ArrayList的源代码解析：
- 类型参数定义：
java
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
...
}可以看到ArrayList实现了List接口、RandomAccess接口以及Cloneable接口，并且继承了AbstractList抽象类。其中，E表示ArrayList中的元素类型。
如下是部分源码截图：
- 成员变量定义：
java
// 默认容量为10
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
// 所有元素
transient Object[] elementData;
// 数组实际数量
private int size;
// 可选的List迭代器
private static final class ListItr<E> extends Itr<E> implements ListIterator<E> {
...
}elementData数组存放ArrayList中的所有元素，size记录了当前存放元素的数量。
- 构造函数定义：
java
// 无参构造函数，初始化为默认容量10
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
// 带初始容量参数的构造函数
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);
}
}
// 带集合参数的构造函数
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
elementData = c.toArray();
if ((size = elementData.length) != 0) {
if (elementData.getClass() != Object[].class)
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
} else {
// 若集合为空，则初始化为默认容量
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}
}ArrayList支持无参、带初始容量参数、带集合参数的构造函数。其中，无参构造函数初始化为默认容量10，带初始容量参数的构造函数会检查参数是否合法，如果小于等于0则抛出IllegalArgumentException异常，带集合参数的构造函数会将集合转化为数组并存放在elementData数组中。
- 常用方法定义：
java
// 添加元素，支持链式调用
public boolean add(E e) {
// 确保elementData数组可以存放新元素
ensureCapacityInternal(size + 1);
elementData[size++] = e;
return true;
}
// 获取指定下标的元素
@SuppressWarnings("unchecked")
public E get(int index) {
rangeCheck(index);
return (E) elementData[index];
}
// 删除指定下标的元素
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;
return oldValue;
}
// 获取元素数量
public int size() {
return size;
}其中，ensureCapacityInternal方法用于确保elementData数组容量足够存放新元素，rangeCheck方法用于检查下标是否越界，modCount记录集合结构修改次数。
- 扩容机制
在添加元素时，如果elementData数组容量不足，则需要扩容。扩容过程如下：
java
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);
// 将原数组元素拷贝到新数组
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
modCount++;
// overflow-conscious code
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
if (minCapacity < 0) // overflow
throw new OutOfMemoryError();
return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
Integer.MAX_VALUE :
MAX_ARRAY_SIZE;
}
private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
return minCapacity;
}grow方法用于扩容，将原数组容量增加一半并重新分配大小，如果新容量小于minCapacity，则将minCapacity赋值给新容量。如果新容量大于MAX_ARRAY_SIZE，则将新容量赋值为MAX_ARRAY_SIZE。然后将原数组元素拷贝到新数组中。ensureCapacityInternal方法用于确保elementData数组容量足够存放新元素。ensureExplicitCapacity方法用于确保elementData数组容量不小于minCapacity。calculateCapacity方法计算出需要的最小容量，如果elementData数组为空，则返回默认容量DEFAULT_CAPACITY和minCapacity中的较大值。
常用操作技巧和方法
添加元素
在ArrayList中添加元素最基本的方法就是add()方法，该方法有两种重载形式，一种是无参的add()方法，一种是有参数的add(int index, E element)方法。无参的add()方法会在ArrayList的最后一位添加一个元素，而有参数的add(int index, E element)方法则可以将元素插入到指定的索引位置。
java
public boolean add(E e)
public void add(int index, E element)如下是部分源码截图：
删除元素
在ArrayList中删除元素最常用的方法是remove()方法，该方法也有两种重载形式，一种是删除指定索引位置的元素，另一种是删除指定元素。需要注意的是，如果是使用remove(int index)方法删除元素，则会将该位置后面的所有元素向前移动一位，而如果是使用remove(Object o)方法，则会将第一个匹配到的元素删除。
java
public E remove(int index)
public boolean remove(Object o)遍历元素
在ArrayList中遍历元素可以使用for循环和foreach语句，如下所示：
java
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<String>();
list.add("Java");
list.add("Python");
list.add("C++");
// 使用for循环遍历元素
for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
String element = list.get(i);
System.out.println(element);
}
// 使用foreach语句遍历元素
for (String element : list) {
System.out.println(element);
}
}
}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。
查找元素
在ArrayList中查找元素可以使用indexOf()方法或contains()方法。其中，indexOf()方法返回该元素第一次出现的位置的索引值，如果没有找到该元素，则返回-1；contains()方法返回ArrayList中是否存在该元素，返回值为布尔型。
java
public int indexOf(Object o)
public boolean contains(Object o)应用场景案例
场景一：存储简单数据类型
在Java中，数组是一种非常基本的数据结构，可以用来存储简单数据类型，例如int、double、boolean等。但是，数组的长度是不可变的，如果需要动态增加或删除元素，就需要使用ArrayList。例如：
java
ArrayList<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
list.add(1);
list.add(2);
list.add(3);场景二：实现栈和队列
栈和队列是计算机科学中常见的数据结构。栈是一种LIFO（Last-In-First-Out）的数据结构，队列是一种FIFO（First-In-First-Out）的数据结构。借助ArrayList可以很容易地实现栈和队列。例如：
java
// 实现栈
ArrayList<Integer> stack = new ArrayList<Integer>();
stack.add(1);
stack.add(2);
stack.add(3);
Integer top = stack.remove(stack.size() - 1);
// 实现队列
ArrayList<Integer> queue = new ArrayList<Integer>();
queue.add(1);
queue.add(2);
queue.add(3);
Integer front = queue.remove(0);优缺点分析
ArrayList的优点包括：
- 索引快速查找：通过索引可以快速查找元素，时间复杂度为O(1)。
- 可变长度：ArrayList的长度是可变的，可以动态增加或缩小。
- 可存储任意类型的对象：ArrayList可以存储任意类型的对象，灵活性高。
ArrayList的缺点包括：
- 不适合大量元素的添加和删除：由于ArrayList底层是基于数组实现的，因此在进行大量元素的添加或删除时，会存在数组复制的问题，影响性能。
- 线程不安全：ArrayList不是线程安全的，如果有多个线程同时访问同一个ArrayList实例，可能会出现竞争条件。
- 非同步：ArrayList不是同步的，不保证多个线程并发访问时的安全性。
类代码方法介绍
在Java中，ArrayList是一个类，我们可以自己创建ArrayList对象并进行操作。ArrayList中的常用方法已经在前面进行了介绍，这里就不再赘述，但是需要注意的是，ArrayList继承了AbstractList类，并且实现了List接口，因此，它还有一些其他的方法，例如：
java
public boolean isEmpty()
public void clear()
public boolean equals(Object o)
public Object[] toArray()测试用例
在本文中，我们介绍了ArrayList的定义和特点，详细描述了它的常用操作技巧和方法，通过源代码解析让读者了解ArrayList的底层实现原理，通过应用场景案例分析，探讨ArrayList的使用场景和优缺点，以帮助读者在实际开发中更好地选择数据结构。下面，我们构建一个测试用例来检验ArrayList的操作是否正确：
java
package com.demo.javase.day58;
import java.util.ArrayList;
/**
* @Author bug菌
* @Date 2023-11-05 23:45
*/
public class ArrayListTest {
public static void main(String[] args) {
// 创建一个空的ArrayList对象
ArrayList<String> list = new ArrayList<String>();
// 添加元素
list.add("Java");
list.add("Python");
list.add("C++");
// 遍历元素
for (String element : list) {
System.out.println(element);
}
// 插入元素
list.add(1, "JavaScript");
// 删除元素
list.remove("C++");
// 查找元素
boolean contains = list.contains("Java");
int index = list.indexOf("Python");
// 输出结果
System.out.println(list);
System.out.println("List contains Java? " + contains);
System.out.println("Index of Python: " + index);
}
}运行结果如下所示：
java
Java
Python
C++
[Java, JavaScript, Python]
List contains Java? true
Index of Python: 2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。
测试用例中，我们创建了一个空的ArrayList对象，并向其中添加了三个元素。接着，我们使用for-each语句遍历ArrayList中的所有元素，然后插入了一个新元素，并删除了一个元素。最后，我们使用contains()方法和indexOf()方法查找元素，并输出结果。可以看到，ArrayList的操作均正确无误。
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。
这是一个用于演示 ArrayList 使用的 Java 类，主要实现了以下功能：
- 创建一个空的 ArrayList 对象；
- 向 ArrayList 中添加元素；
- 遍历 ArrayList 中的元素；
- 插入元素到指定位置；
- 删除元素；
- 查找元素在 ArrayList 中的位置。
在 main 方法中，创建了一个空的 ArrayList 对象 list，并向其中添加了三个元素：Java、Python 和 C++。接着使用 for 循环遍历了 list 中的元素，并对每个元素进行了输出。然后调用了 list.add(1, "JavaScript") 方法，在 list 中第二个位置插入了一个元素 JavaScript。接着又调用了 list.remove("C++") 方法，将 list 中的 C++ 元素删除。最后通过 list.contains("Java") 方法查找元素 Java 是否在 list 中，并使用 list.indexOf("Python") 方法查找元素 Python 在 list 中的位置，将查找结果输出。
总体来说，这个类演示了 ArrayList 的基本使用方法，包括添加、删除、插入和查找元素等。
总结
本文详细介绍了Java中的ArrayList类，包括其定义和特点、常用操作技巧和方法、源代码解析、应用场景案例分析以及优缺点分析等方面。文章通过测试用例对ArrayList的操作进行了验证，并给读者提供了一些学习建议和推荐。通过本文的学习，读者可以更好地掌握ArrayList的使用方法和技巧，快速地进行开发。
...
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附录源码
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