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Java集合框架之ArrayList解析

news 来源：原创 2025/6/11 5:45:08

一、ArrayList概述

二、优缺点分析

三、底层数据结构

四、源码分析ArrayList初始化容量

五、源码分析ArrayList扩容策略

六、ArrayList集合源码分析

1. 属性分析

2. 构造方法分析

无参构造方法

指定初始容量的构造方法

传入集合的构造方法

3. 添加元素

add(E e) 方法

add(int index, E element) 方法

4. 修改元素

set(int index, E element) 方法

5. 插入元素

6. 删除元素

remove(int index) 方法

remove(Object o) 方法

七、Vector

1. 底层结构与线程安全

2. 初始容量与扩容策略

3. 为何逐渐被弃用？

一、ArrayList概述

ArrayList 是Java集合框架中最常用的类之一，基于动态数组实现，继承自 AbstractList 并实现了 List 接口。它提供了高效的元素访问能力，适合频繁查询但少随机增删的场景。本文将从源码层面深入分析其设计原理、性能特点及最佳实践。

二、优缺点分析

优点：

高效随机访问：通过下标直接访问元素，底层是数组，因此根据下标查找元素的时间复杂度是O(1)。因此检索效率高。

list.get(3); // 直接访问索引3处的元素

尾部操作高效：在数组末尾添加或删除元素时，时间复杂度为 O(1)（无需移动元素）。

缺点：

随机增删效率低：在数组中间插入或删除元素时，需移动后续元素，时间复杂度为 O(n)。不过只要数组的容量还没满，对末尾元素进行增删，效率不受影响

list.add(2, "Java"); // 插入到索引2，后续元素后移

内存浪费：数组容量可能大于实际元素数量，占用额外内存

三、底层数据结构

ArrayList 的核心是一个 Object[] elementData 数组，所有元素按插入顺序依次存储。数组的连续内存特性使得其支持通过下标快速访问元素（时间复杂度 O(1)）。

// JDK 11源码片段
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
    transient Object[] elementData; // 存储元素的数组
    private int size;              // 实际元素个数
}

四、源码分析ArrayList初始化容量

在 Java 中，ArrayList 类有多个构造方法，不同构造方法对初始容量的处理不同：

无参构造方法：初始容量为 0，当第一次调用 add 方法时，容量会被初始化为 10。
带初始容量参数的构造方法：使用指定的初始容量。
带集合参数的构造方法：初始容量为传入集合的大小。

下面是 ArrayList 无参构造方法的源码：

/**
 * Constructs an empty list with an initial capacity of ten.
 */
public ArrayList() {
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

其中 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 是一个空数组：

private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

无参构造：创建一个空数组（初始容量为0），首次调用 add() 方法时扩容至 10。

List<String> list = new ArrayList<>(); // elementData = {}
list.add("A"); // 首次扩容，容量变为10

当第一次调用 add 方法时，会触发扩容逻辑，将容量初始化为 10，相关源码如下：

private int newCapacity(int minCapacity) {
    // overflow-conscious code
    int oldCapacity = elementData.length;
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    if (newCapacity - minCapacity <= 0) {
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)
            return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        if (minCapacity < 0) // overflow
            throw new OutOfMemoryError();
        return minCapacity;
    }
    return (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE <= 0)
        ? newCapacity
        : hugeCapacity(minCapacity);
}

其中 DEFAULT_CAPACITY 的值为 10：

private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

五、源码分析ArrayList扩容策略

触发条件：当元素数量 size 超过数组长度 elementData.length。
扩容规则：新容量为原容量的 1.5倍（通过位运算优化：newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1)）。
扩容实现：调用 Arrays.copyOf() 创建新数组并拷贝原数据。