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深入浅出 ArrayList：从基础用法到底层原理的全面解析（上）

news 2025/8/26 17:12:10

在 Java 开发中，集合框架是日常编码的 “基础设施”，而 ArrayList 作为其中最常用的 List 实现类，几乎出现在每一个 Java 项目中。无论是存储数据、遍历集合，还是处理动态数据场景，ArrayList 都以其便捷性和高效性成为开发者的首选。但很多人对 ArrayList 的理解仅停留在 “能用来存数据” 的层面，对其底层结构、扩容机制、线程安全等核心问题一知半解。本文将从基础到深入，带你全面掌握 ArrayList 的核心知识，帮你在实际开发中避坑提效。

一、ArrayList 是什么？—— 从定义到底层结构

1.1 ArrayList 的官方定位

ArrayList 是 Java 集合框架中java.util包下的一个动态数组实现类，它实现了 List 接口，继承自 AbstractList 抽象类，同时还实现了 Cloneable（支持克隆）、Serializable（支持序列化）、RandomAccess（支持随机访问）三个标记接口。

官方文档对 ArrayList 的描述是：“可动态调整大小的数组实现，允许存储所有类型的元素（包括 null），并提供了基于索引的快速访问能力”。简单来说，ArrayList 就是 “能自动扩容的数组”—— 解决了普通数组 “初始化后容量固定，无法动态添加元素” 的痛点。

1.2 ArrayList 与普通数组的区别

很多人会疑惑：“既然有普通数组，为什么还要用 ArrayList？” 其实两者的核心差异体现在 “灵活性” 和 “功能完整性” 上，具体对比如下：

特性普通数组（Array）ArrayList
容量特性初始化时必须指定容量，且不可变容量动态扩展，无需手动指定初始值
元素操作仅支持通过索引访问，无内置方法提供 add/remove/get/contains 等丰富方法
存储类型支持基本类型（int []）和引用类型仅支持引用类型（存储基本类型需用包装类，如 Integer）
长度获取通过 “数组名.length”（属性）通过 “list.size ()”（方法）
空元素支持引用类型数组可存 null，基本类型不行支持存储任意数量的 null 元素

举个简单例子：如果需要存储一个 “不确定长度的用户列表”，用普通数组会面临 “容量不够时需要手动创建新数组、复制元素” 的麻烦，而 ArrayList 会自动处理扩容，开发者只需专注于 “存数据” 即可。

1.3 ArrayList 的底层结构

ArrayList 的底层是通过一个Object 类型的数组（elementData） 来存储元素的，核心源码如下（基于 JDK 1.8）：

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {// 序列化版本号private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;// 默认初始容量（JDK 1.8中，无参构造初始化时不立即分配，第一次add时才扩容到10）private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;// 空数组（无参构造初始化时使用）private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};// 默认空数组（区别于EMPTY_ELEMENTDATA，用于无参构造，标记“未初始化”状态）private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};// 底层存储元素的数组（transient修饰：序列化时需手动处理，避免序列化空元素）transient Object[] elementData;// 集合中实际存储的元素个数（注意：不是数组容量）private int size;// 省略其他方法...
}

从源码可以看出：

  • elementData是 ArrayList 的 “核心容器”，所有元素都存在这个数组里；
  • size记录的是 “当前集合中元素的实际数量”，而elementData.length才是 “数组的容量”（即能容纳的最大元素数）；
  • transient修饰elementData：因为 ArrayList 的容量可能大于实际元素个数，序列化时只需要保存有值的元素，避免浪费空间，所以 ArrayList 重写了writeObject和readObject方法手动处理序列化。

二、ArrayList 核心特性 —— 必须掌握的 4 个关键点

在使用 ArrayList 前，必须先明确它的核心特性，这直接决定了它的适用场景和避坑方向。

2.1 有序性：元素存储顺序与插入顺序一致

ArrayList 是有序集合，这里的 “有序” 指的是 “元素的存储顺序与插入顺序完全一致”，并且支持通过索引（0-based）精确访问元素。

举个例子：

public class ArrayListOrderDemo {public static void main(String[] args) {List<String> list = new ArrayList<>();list.add("苹果");list.add("香蕉");list.add("橙子");// 遍历集合：输出顺序与插入顺序一致for (int i = 0; i < list.size(); i++) {System.out.println(i + ":" + list.get(i));}}
}

输出结果：

0:苹果
1:香蕉
2:橙子

这一点与 HashSet（无序）、HashMap（key 无序，JDK 1.8 后 LinkedHashMap 有序）形成鲜明对比，适合需要 “按插入顺序存储和访问” 的场景（如用户操作日志、订单列表）。

2.2 可重复性：允许存储重复元素

ArrayList 允许存储多个相同的元素（包括 null），这一点与 Set 接口（不允许重复元素）完全不同。

示例代码：

public class ArrayListDuplicateDemo {public static void main(String[] args) {List<Integer> list = new ArrayList<>();list.add(10);list.add(20);list.add(10); // 重复元素list.add(null); // 存储nulllist.add(null); // 重复nullSystem.out.println(list); // 输出：[10, 20, 10, null, null]}
}

需要注意的是：当调用contains(Object o)判断元素是否存在时，ArrayList 会通过equals()方法比较元素（null 元素会直接判断是否为 null），因此如果存储自定义对象，需要重写equals()方法才能正确判断重复。

2.3 随机访问：查询效率极高

ArrayList 实现了RandomAccess接口（标记接口，无实际方法），表示它支持 “随机访问”—— 即通过索引（get(int index)）直接定位元素，时间复杂度为O(1)。

这是因为底层是数组，数组的内存空间是 “连续的”，通过 “数组首地址 + 索引 × 元素大小” 的计算方式，能直接找到元素的内存位置，无需像 LinkedList（链表结构）那样从头遍历。

示例：查询 ArrayList 和 LinkedList 的效率对比（以 100 万条数据为例）

public class ArrayListAccessSpeedDemo {public static void main(String[] args) {// 初始化ArrayList和LinkedList，各存100万条数据List<Integer> arrayList = new ArrayList<>();List<Integer> linkedList = new LinkedList<>();for (int i = 0; i < 1000000; i++) {arrayList.add(i);linkedList.add(i);}// 测试ArrayList随机访问（访问第50万条数据）long start1 = System.currentTimeMillis();arrayList.get(500000);long end1 = System.currentTimeMillis();System.out.println("ArrayList随机访问时间：" + (end1 - start1) + "ms");// 测试LinkedList随机访问long start2 = System.currentTimeMillis();linkedList.get(500000);long end2 = System.currentTimeMillis();System.out.println("LinkedList随机访问时间：" + (end2 - start2) + "ms");}
}

输出结果（仅供参考）：

ArrayList随机访问时间：0ms
LinkedList随机访问时间：35ms

可以看到，ArrayList 的随机访问效率远超 LinkedList，这也是它成为 “查询密集型场景首选” 的核心原因。

2.4 非线程安全：多线程环境下需谨慎

ArrayList不是线程安全的（线程不安全的集合还有 HashMap、HashSet 等），在多线程同时对 ArrayList 进行 “添加 / 删除” 操作时，可能会出现两种问题：

  1. ConcurrentModificationException（并发修改异常）：迭代器遍历过程中，其他线程修改了集合结构；
  2. 数据不一致：如元素丢失、数组越界等。

示例：多线程下的 ConcurrentModificationException

public class ArrayListThreadSafeDemo {public static void main(String[] args) {List<String> list = new ArrayList<>();// 线程1：添加元素new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 1000; i++) {list.add("元素" + i);}}).start();// 线程2：遍历集合new Thread(() -> {Iterator<String> iterator = list.iterator();while (iterator.hasNext()) {System.out.println(iterator.next());}}).start();}
}

运行后大概率会抛出异常：

Exception in thread "Thread-1" java.util.ConcurrentModificationExceptionat java.util.ArrayList$Itr.checkForComodification(ArrayList.java:909)at java.util.ArrayList$Itr.next(ArrayList.java:859)at com.example.ArrayListThreadSafeDemo.lambda$main$1(ArrayListThreadSafeDemo.java:19)

关于线程安全的解决方案，后文会详细讲解，这里先记住：单线程环境用 ArrayList，多线程环境需额外处理线程安全。

三、ArrayList 构造方法详解 ——3 种初始化方式

ArrayList 提供了 3 个常用的构造方法，不同的初始化方式对应不同的使用场景，理解它们的差异能帮助你更合理地初始化 ArrayList，避免不必要的性能消耗。

3.1 无参构造方法：ArrayList ()

无参构造是日常开发中最常用的方式，源码如下（JDK 1.8）：

public ArrayList() {this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

这里有个关键细节：JDK 1.8 中，无参构造并不会立即创建容量为 10 的数组，而是将 elementData 赋值为 “空数组 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA”，只有当第一次调用add()方法时，才会触发扩容，将数组容量初始化为 10。

这种 “延迟初始化” 的设计是为了节省内存 —— 如果创建了 ArrayList 但暂时不存元素，就不会占用 10 个 Object 的内存空间（尤其在创建大量空 ArrayList 时，优化效果明显）。

示例：无参构造的使用

// 无参初始化：此时elementData是DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA（空数组）
List<String> list = new ArrayList<>();
// 第一次add：触发扩容，elementData容量变为10
list.add("第一次添加");

3.2 指定初始容量构造方法：ArrayList (int initialCapacity)

如果提前知道集合大概会存储多少元素，可以用这个构造方法指定初始容量，避免后续频繁扩容（扩容会消耗性能）。

源码如下：

public ArrayList(int initialCapacity) {if (initialCapacity > 0) {// 初始容量>0：创建指定容量的Object数组this.elementData = new Object[initialCapacity];} else if (initialCapacity == 0) {// 初始容量=0：使用空数组EMPTY_ELEMENTDATAthis.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;} else {// 初始容量<0：抛出非法参数异常throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: " + initialCapacity);}
}

适用场景：已知元素数量的场景（如存储 100 个用户信息），示例：

// 提前知道要存100个用户，指定初始容量100，避免扩容
List<User> userList = new ArrayList<>(100);
for (int i = 0; i < 100; i++) {userList.add(new User("用户" + i));
}

注意：如果指定的初始容量小于 0，会抛出IllegalArgumentException，开发中需避免这种错误。

3.3 传入集合构造方法：ArrayList (Collection<? extends E> c)

如果需要将其他集合（如 HashSet、LinkedList）中的元素 “复制” 到 ArrayList 中，可以用这个构造方法，源码如下：

public ArrayList(Collection<? extends E> c) {// 将传入的集合转为数组，赋值给elementDataelementData = c.toArray();// 如果数组长度>0：if ((size = elementData.length) != 0) {// 判断c.toArray()返回的是否是Object[]类型（避免某些集合的toArray()返回子类数组）if (elementData.getClass() != Object[].class) {// 复制为Object[]数组（确保底层是Object[]，避免类型转换问题）elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);}} else {// 数组长度=0：使用空数组EMPTY_ELEMENTDATAthis.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;}
}

示例：将 HashSet 的元素复制到 ArrayList 中

// 创建HashSet（无序、无重复）
Set<String> set = new HashSet<>();
set.add("a");
set.add("b");
set.add("c");// 将HashSet转为ArrayList（转为有序集合）
List<String> list = new ArrayList<>(set);
System.out.println(list); // 输出可能是[a, b, c]或其他顺序（取决于HashSet的哈希分布）

注意：c.toArray()可能返回非 Object [] 类型的数组（如某些自定义集合），因此源码中会通过Arrays.copyOf转为 Object []，确保 ArrayList 的底层数组类型正确。

http://www.dtcms.com/a/350893.html

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