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Java集合 - ArrayList底层源码解析

news 来源：原创 2025/6/14 14:33:09

下面开始对 Java 中 ArrayList 的深度源码分析，基于 JDK 8 的实现（后续版本略有差异，但核心逻辑一致）。我们将从 类结构、扩容机制、核心方法实现、性能优化、线程安全问题 等角度进行详细解析

一、类结构与核心字段

1. 类继承关系

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
  • AbstractList：提供了 List 接口的部分默认实现（如 get(int index)、size() 等）
  • RandomAccess：标记接口，表示支持随机访问（通过索引访问元素，O(1) 时间复杂度）
  • Cloneable：支持克隆
  • Serializable：支持序列化

2. 核心字段

// 默认初始容量
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
// 空数组常量（用于无参构造）
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
// 空数组常量（用于指定容量为 0 的构造）
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
// 存储元素的数组
transient Object[] elementData;
// 当前元素个数
private int size;
// 数组最大容量限制（防止溢出）
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

关键点

  • elementData：实际存储数据的数组，初始化为DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA（空数组），首次添加元素时扩容到默认容量 10
  • size：记录当前集合中实际元素的数量，与 elementData.length 不同。
  • transient：elementData 被标记为 transient，但 ArrayList 自定义了 writeObject 和 readObject 方法，实现序列化逻辑
  • MAX_ARRAY_SIZE：限制数组最大容量为 Integer.MAX_VALUE - 8，避免 JVM 内存分配异常

.

二、构造方法详解

1. 无参构造函数

public ArrayList() {this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
  • 初始化为空数组 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
  • 首次添加元素时，会扩容到默认容量 10

2. 带初始容量的构造函数

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);}
}
  • 直接初始化指定容量的数组，避免后续频繁扩容

3. 使用集合初始化

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 {this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;}
}
  • 将集合转换为数组并赋值给 elementData
  • 如果集合返回的数组类型不是 Object[]，会强制转换（避免类型问题）

.

三、核心方法源码分析

1. 添加元素：add(E e)

public boolean add(E e) {modCount++; // 修改次数 +1（用于迭代器 fail-fast）add(e, elementData, size);return true;
}private void add(E e, Object[] elementData, int s) {if (s == elementData.length)elementData = grow(); // 扩容elementData[s] = e;size = s + 1;
}
  • 关键步骤：
    1. 检查是否需要扩容（s == elementData.length）
    2. 调用 grow() 方法扩容
    3. 将元素赋值到 elementData[s]
    4. 更新 size

2. 扩容机制：grow()

private Object[] grow() {return grow(size + 1);
}private Object[] grow(int minCapacity) {int oldCapacity = elementData.length;int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);     // 1.5 倍扩容if (newCapacity - minCapacity < 0)newCapacity = minCapacity;if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);return elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
  • 扩容规则：
    • 默认扩容：newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1)（即 1.5 倍）
    • 特殊情况：如果扩容后仍不足（如一次性添加大量元素），直接设置为 minCapacity
    • 最大容量限制：超过 MAX_ARRAY_SIZE 时调用 hugeCapacity() 处理

hugeCapacity(int minCapacity)

private static int hugeCapacity(int minCapacity) {if (minCapacity < 0)throw new OutOfMemoryError();return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ? Integer.MAX_VALUE : MAX_ARRAY_SIZE;
}
  • 如果 minCapacity 超过 MAX_ARRAY_SIZE，则返回 Integer.MAX_VALUE，否则返回 MAX_ARRAY_SIZE

3. 删除元素：remove(int index)

public E remove(int index) {Objects.checkIndex(index, size); // 检查索引合法性final Object[] es = elementData;@SuppressWarnings("unchecked") E oldValue = (E) es[index];int numMoved = size - index - 1;if (numMoved > 0)System.arraycopy(es, index+1, es, index, numMoved); // 左移元素es[--size] = null; // 帮助 GCreturn oldValue;
}
  • 关键步骤：
    1. 检查索引合法性
    2. 获取目标元素
    3. 将右半部分元素左移（时间复杂度 O(n)）
    4. 将最后一个元素置为 null，帮助垃圾回收
    5. 更新 size

4. 获取元素：get(int index)

public E get(int index) {Objects.checkIndex(index, size);return (E) elementData[index];
}
  • 特点：直接通过索引访问数组元素，时间复杂度 O(1)

5. 修改元素：set(int index, E element)

public E set(int index, E element) {Objects.checkIndex(index, size);E oldValue = (E) elementData[index];elementData[index] = element;return oldValue;
}
  • 特点：直接修改数组中指定位置的元素，时间复杂度 O(1)

.

四、性能优化技巧

1. 预估容量，避免频繁扩容

使用 ArrayList(int initialCapacity) 构造函数，提前指定容量。如果容量不足，频繁扩容会导致性能下降（每次扩容需复制数组）

2. 手动扩容：ensureCapacity(int minCapacity)

public void ensureCapacity(int minCapacity) {int minExpand = (elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)? 0 : DEFAULT_CAPACITY;if (minCapacity > minExpand) {modCount++;grow(minCapacity);}
}
  • 在添加大量元素前，调用此方法预扩容，减少中间扩容次数

3. 清空集合：clear()

public void clear() {modCount++;for (int i = 0; i < size; i++)elementData[i] = null; // 帮助 GCsize = 0;
}
  • 注意：clear() 不会释放数组空间，只是将 size 置为 0 并将元素设为 null

.

五、线程安全问题

1. 线程不安全

ArrayList 不是线程安全的，多线程环境下可能引发数据不一致或 ConcurrentModificationException

2. 解决方案

  • 使用 Collections.synchronizedList：
List<String> syncList = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
  • 使用 CopyOnWriteArrayList（适合读多写少场景）：
List<String> cowList = new CopyOnWriteArrayList<>();

.

六、Fail-Fast 机制

1. 原理

  • ArrayList 通过 modCount 变量记录集合的修改次数
  • 迭代器遍历时会检查 modCount 是否与创建迭代器时的值一致。如果不一致，抛出 ConcurrentModificationException

2. 代码示例

public Iterator<E> iterator() {return new Itr();
}private class Itr implements Iterator<E> {int expectedModCount = modCount;public boolean hasNext() {checkForComodification();return cursor != size;}final void checkForComodification() {if (modCount != expectedModCount)throw new ConcurrentModificationException();}
}

.

七、性能对比与使用建议

在这里插入图片描述

使用建议

  • 高频随机访问：优先使用 ArrayList
  • 频繁中间插入/删除：使用 LinkedList
  • 线程安全：使用 Collections.synchronizedList 或 CopyOnWriteArrayList

八、其他实用方法

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九、总结

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十、扩展学习建议

  1. 源码调试：使用 IDE（如 IntelliJ IDEA）逐步调试 ArrayList 的 add、remove 等方法，观察 elementData 和 size 的变化
  2. 版本差异：对比 JDK 8 和 JDK 17 的 ArrayList 源码，观察扩容策略、subList 实现等细节变化
  3. 进阶主题：
  • ArrayList 与 Vector 的区别（线程安全 vs 性能）
  • subList 返回的视图对原集合的影响
  • ArrayList 在 JVM 内存模型中的表现（数组的连续性 vs 链表的离散性）

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