Java ArrayList 集合详解与性能分析

2.3.2 集合存储类型

集合只能存储引用数据类型。如果要存储基本数据类型，需要将其转换为对应的包装类。这是因为 Java 集合框架是基于泛型实现的，而泛型只能接受引用类型。例如，要存储整数，我们需要使用 Integer 包装类：

import java.util.ArrayList;

ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();
list.add(1); // 自动装箱，将 int 类型的 1 转换为 Integer 类型

2.4 集合和数组的对比

三、集合：ArrayList

3.1 ArrayList 概述

ArrayList 是 Java 集合框架中最常用的类之一，它实现了 List 接口，底层基于数组实现。ArrayList 允许存储重复元素，并且可以根据需要动态调整大小。

3.2 创建 ArrayList 对象

import java.util.ArrayList;

public class ArrayListExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 1. 创建集合的对象
        // 泛型：限定集合中存储的数据类型
        ArrayList<String> list = new ArrayList<String>();
        // JDK 7 以后，泛型的类型可以省略，但是前后必须一致，就是右边 <> 里面可以不写
        // 此时我们创建的是 ArrayList 的对象，而 ArrayList 是 Java 已经写好的一个类
        // 这个类在底层做了一些处理，打印对象不是地址值，而是集合中的内容
        // 在展示的时候，它会拿 [] 把里面的内容给框起来
        System.out.println(list);
    }
}
// 运行结果：[]

在上述代码中，我们创建了一个 ArrayList 对象，并指定了泛型类型为 String，表示该集合只能存储 String 类型的元素。

3.3 ArrayList 底层实现原理

ArrayList 底层使用一个动态数组来存储元素。当我们创建一个 ArrayList 对象时，会默认分配一个初始容量（通常为 10）。当添加元素时，如果数组的容量不足，ArrayList 会自动进行扩容。扩容的过程是创建一个新的数组，其容量通常是原数组的 1.5 倍，然后将原数组的元素复制到新数组中。

3.4 ArrayList 成员方法

3.4.1 添加元素

import java.util.ArrayList;

public class ArrayListAddExample {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
        boolean b1 = list.add("aaa");
        list.add("bbb");
        list.add("ccc");
        System.out.println(list);
        System.out.println(b1);
    }
}

add(E e) 方法用于向集合中添加元素，返回值表示是否添加成功。在 ArrayList 中，该方法通常返回 true，因为它总是可以成功添加元素。

3.4.2 删除元素

import java.util.ArrayList;

public class ArrayListRemoveExample {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
        list.add("aaa");
        list.add("bbb");
        list.add("ccc");
        list.remove("aaa");
        System.out.println(list);
    }
}

remove(E e) 方法用于删除指定元素，返回值表示是否删除成功。如果集合中存在该元素，则删除并返回 true；否则返回 false。

3.4.3 修改元素

import java.util.ArrayList;

public class ArrayListSetExample {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
        list.add("aaa");
        list.add("bbb");
        list.set(0, "ddd");
        System.out.println(list);
    }
}

set(int index, E e) 方法用于修改指定索引下的元素，返回原来的元素。

3.4.4 获取元素

import java.util.ArrayList;

public class ArrayListGetExample {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
        list.add("aaa");
        list.add("bbb");
        String s = list.get(0);
        System.out.println(s);
    }
}

get(int index) 方法用于获取指定索引的元素。

3.4.5 删除指定索引的元素

import java.util.ArrayList;

public class ArrayListRemoveIndexExample {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
        list.add("aaa");
        list.add("bbb");
        String removed = list.remove(0);
        System.out.println(list);
        System.out.println(removed);
    }
}

remove(int index) 方法用于删除指定索引下的元素，返回原来的元素。

3.4.6 获取集合长度

import java.util.ArrayList;

public class ArrayListSizeExample {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
        list.add("aaa");
        list.add("bbb");
        int size = list.size();
        System.out.println(size);
    }
}

size() 方法用于获取集合的长度，即集合中元素的个数。

3.4.7 遍历集合

import java.util.ArrayList;
import java.util.Iterator;

public class ArrayListTraversalExample {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
        list.add("aaa");
        list.add("bbb");
        list.add("ccc");
        // 普通 for 循环遍历
        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
            System.out.println(list.get(i));
        }
        // 增强 for 循环遍历
        for (String element : list) {
            System.out.println(element);
        }
        // 使用迭代器遍历
        Iterator<String> iterator = list.iterator();
        while (iterator.hasNext()) {
            System.out.println(iterator.next());
        }
    }
}

在上述代码中，我们展示了三种遍历 ArrayList 的方式：普通 for 循环、增强 for 循环和迭代器。不同的遍历方式适用于不同的场景，例如，普通 for 循环可以在遍历过程中修改元素，而增强 for 循环和迭代器则更简洁。

四、ArrayList 的性能分析

4.1 时间复杂度

• 添加元素：在列表末尾添加元素的时间复杂度为 O(1)，但在中间或开头添加元素需要移动后续元素，时间复杂度为 O(n)。
• 删除元素：删除末尾元素的时间复杂度为 O(1)，删除中间或开头元素需要移动后续元素，时间复杂度为 O(n)。
• 查找元素：通过索引查找元素的时间复杂度为 O(1)，通过元素值查找元素需要遍历列表，时间复杂度为 O(n)。
• 修改元素：通过索引修改元素的时间复杂度为 O(1)。

4.2 空间复杂度

ArrayList 的空间复杂度主要取决于存储的元素数量和数组的容量。在扩容时，会额外分配一定的空间，因此空间复杂度为 O(n)。

五、总结

ArrayList 是 Java 集合框架中一个非常实用的类，它提供了动态数组的功能，方便我们存储和操作多个元素。通过了解 ArrayList 的底层实现原理、成员方法和性能特点，我们可以在实际开发中更加合理地使用它，提高代码的性能和可维护性。同时，我们也应该注意 ArrayList 在某些场景下的局限性，例如在频繁插入和删除元素的场景下，性能可能不如其他集合类，如 LinkedList。