Java ArrayList в картинках

Привет! Сегодняшняя лекция про ArrayList будет с одной стороны проще, а с другой — сложнее, чем предыдущие. Сложнее, потому что сегодня мы заглянем “под капот” ArrayList’a и будем изучать, что же с ним происходит во время операций. С другой стороны, в этой лекции почти не будет кода — в основном картинки и пояснения. Итак, поехали:) Как ты уже знаешь, внутри ArrayList’a находится обыкновенный массив, который и выступает хранилищем данных. В большинстве случаев мы не указываем точный размер списка. Но ведь внутренний массив должен иметь какой-то размер! Так и есть. Его размер по умолчанию — [10].

public static void main(String[] args) {
   ArrayList<Car> cars = new ArrayList<>();
}

Для начала посмотрим, как выглядит добавление нового элемента. В первую очередь производится проверка — достаточно ли во внутреннем массиве места и влезет ли еще один элемент. Если место есть, новый элемент добавляется в конец списка. Когда мы говорим “в конец” — имеется в виду не последняя ячейка массива (это было бы странно). Имеется в виду ячейка, следующая за последним текущим элементом. Ее индекс будет равен cars.size(). Наш список сейчас пуст (cars.size() = 0). Соответственно, новый элемент будет добавлен в ячейку с индексом 0.

ArrayList<Car> cars = new ArrayList<>();
Car ferrari = new Car("Ferrari 360 Spider");
cars.add(ferrari);

Тут все понятно. Что будет, если вставка будет осуществляться в середину, то есть между несколькими элементами?

public static void main(String[] args) {
   ArrayList<Car> cars = new ArrayList<>();
   Car ferrari = new Car("Ferrari 360 Spider");
   Car bugatti = new Car("Bugatti Veyron");
   Car lambo = new Car("Lamborghini Diablo");
   Car ford = new Car("Ford Modneo");
  
   cars.add(ferrari);
   cars.add(bugatti);
   cars.add(lambo);
  
   cars.add(1, ford);//добавляем ford в ячейку 1, которая уже занята
}

Опять же, сначала проверяется, достаточно ли места в массиве. Если места достаточно, происходит сдвиг элементов вправо начиная с той ячейки, куда мы вставляем новый элемент. Мы вставляем в ячейку с индексом 1. То есть элемент из ячейки 3 копируется в ячейку 4, элемент 2 — в ячейку 3, элемент 1 — в ячейку 2. После этого наш новый элемент вставляется на свое место. Предыдущий элемент (bugatti) уже был скопирован оттуда на новое место. Теперь давай разберемся, как бы происходил этот процесс, если бы места для вставки в массиве не было. Вначале, конечно, осуществляется проверка — достаточно ли места. Если выясняется, что места не хватает, внутри ArrayList’a создается новый массив размером (размерСтарогоМассива * 1.5) + 1 В нашем случае новый массив будет иметь размер 16 ячеек. Туда сразу же будут скопированы все текущие элементы. Старый массив будет удален сборщиком мусора, и останется только новый, расширенный. Теперь свободное место для нового элемента есть. Мы вставляем его в ячейку 3, которая занята. Теперь начинается уже знакомая тебе процедура. Все элементы, начиная с индекса 3, сдвигаются на одну ячейку вправо, и новый элемент спокойно добавляется. И теперь вставка прошла успешно! Со вставкой разобрались. Теперь поговорим об удалении элементов. Как ты помнишь, при работе с массивами мы столкнулись с проблемой: при удалении в нем оставались “дыры”. Единственным выходом было сдвигать элементы влево каждый раз при удалении, причем писать код для сдвига приходилось самостоятельно. ArrayList работает по тому же принципу, но в нем этот механизм уже реализован автоматически. Вот как это выглядит: И в итоге мы получаем нужный результат: Элемент lambo был успешно удален. Тут мы делали удаление из середины. Понятно, что удаление из конца списка будет быстрее, поскольку нужный элемент убирается без сдвига всех остальных. Давай еще раз пройдемся по размерам внутреннего массива и его хранению в памяти. Расширение массива — процесс, занимающий определенное количество ресурсов. Поэтому не стоит создавать ArrayList с размером по умолчанию, если ты точно знаешь, что в нем будет не меньше 100 элементов. Пока ты дойдешь до вставки 100-го элемента, внутренний массив расширится 6 раз, каждый раз с переносом всех элементов.

• с 10 элементов до 16
• с 16 элементов до 25
• с 25 до 38
• с 38 до 58
• с 58 до 88
• с 88 до 133 (по формуле (размерСтарогоМассива * 1.5)+1)

Естественно, это в плане ресурсов довольно затратно. Поэтому, если уж ты знаешь какое-то (хоть примерное) количество хранимых элементов, лучше сразу создать список с массивом определенного размера:

ArrayList<Car> cars = new ArrayList<>(100);

Теперь в памяти будет сразу выделен массив на 100 элементов, более эффективный, потому что не будут тратиться ресурсы на расширение. Есть и обратная сторона медали. При удалении объектов из ArrayList размер внутреннего массива не уменьшается автоматически. Например, у нас есть ArrayList с внутренним массивом в 88 элементов, который целиком заполнен: В процессе работы программы мы удаляем из него 77 элементов, и в нем остается всего 11: Уже догадался, в чем проблема? Конечно, в неэффективном использовании памяти! Мы используем всего 11 ячеек, при этом у нас выделена память на 88 элементов — это в 8 раз больше, чем нужно! Для проведения оптимизации в данном случае можно использовать специальный метод класса ArrayList — trimToSize(). Он “обрезает” длину внутреннего массива до количества хранящихся в нем на текущий момент элементов. Теперь памяти выделяется столько, сколько нужно! :)