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【常见集合】ArrayList与LinkedList

news 2025/9/20 6:04:35

1 ArrayList

1.1 底层原理

数组（Array）是一种用连续的内存空间存储相同数据类的线性数据结构

1.2 寻址公式

数组是如何获取其他元素地址的呢

寻址公式：a[i] = baseAddress + i * dataTypeSize

baseAddress : 数组首地址
dataTypeSize ：数组中元素类型大小

思考：为什么数组中元素下标从0开始？
如果不是从0开始而是1的话，寻址公式将变成：a[i] = baseAddress + ( i - 1) * dataTypeSize
此时对CPU来说多了一个减法指令，会影响性能

1.3 操作数组的时间复杂度

1.3.1 随机查找

即根据索引查找，时间复杂度为 O(1)

1.3.2 未知索引查找

遍历查找（未排序）：时间复杂度为O(n)

二分查找（已排序）：时间复杂度为O(logn)

1.3.3 插入、删除

时间复杂度为O(n)

2 ArrayList

2.1ArrayList源码分析（jdk17）

2.1.1 成员变量

/*** 默认初始容量为10，无参构造时首次添加元素会以此值初始化*/
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;/*** 指定初始容量为0时使用的空数组实例*/
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};/*** 无参构造时使用的空数组实例，与EMPTY_ELEMENTDATA区分以实现首次添加元素时扩容至默认容量*/
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};/*** 存储元素的底层数组，容量为该数组的长度* 当elementData等于DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA时，首次添加元素会扩容至DEFAULT_CAPACITY* 用transient修饰避免自动序列化，采用自定义序列化逻辑* 非private修饰是为了方便嵌套类访问*/
transient Object[] elementData; /*** ArrayList中实际包含的元素数量（与数组容量elementData.length区分）*/
private int size;

2.1.2 构造方法

// 带初始容量参数的构造方法
public ArrayList(int initialCapacity) {if (initialCapacity > 0) {// 当初始容量大于0时，创建指定容量的Object数组this.elementData = new Object[initialCapacity];} else if (initialCapacity == 0) {// 当初始容量等于0时，使用EMPTY_ELEMENTDATA空数组this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;} else {// 当初始容量为负数时，抛出非法参数异常throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+initialCapacity);}
}/*** 无参构造方法，创建一个初始容量为10的空列表* 注意：实际初始化会延迟到首次添加元素时*/
public ArrayList() {// 使用DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA空数组作为初始值// 与EMPTY_ELEMENTDATA的区别是首次添加元素时会自动扩容至DEFAULT_CAPACITY(10)this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}/*** 通过集合创建ArrayList的构造方法* @param c 被用来初始化ArrayList的源集合，其元素类型需是E的子类*/
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {// 将源集合转换为数组Object[] a = c.toArray();// 将源集合的元素数量赋值给当前ArrayList的sizeif ((size = a.length) != 0) {// 如果源集合是ArrayList类型if (c.getClass() == ArrayList.class) {// 直接复用源集合的内部数组（优化：避免额外复制）elementData = a;} else {// 非ArrayList集合则通过Arrays.copyOf()复制元素到新数组// 第三个参数指定目标数组类型为Object[]elementData = Arrays.copyOf(a, size, Object[].class);}} else {// 源集合为空时，使用EMPTY_ELEMENTDATA空数组elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;}
}

2.1.3 逻辑分析

以下面这个程序为例对添加和扩容操作进行分析

public static void main(String[] args) {List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();list.add(1);for (int i = 2; i <= 10; i++){list.add(i);}list.add(11);}

核心代码片段：

入口：add(E e) 方法（首次添加元素的调用入口）

/*** 尾部追加元素（首次添加元素从这里进入）*/
public boolean add(E e) {modCount++; // 记录结构修改次数（用于fail-fast迭代器）add(e, elementData, size); // 调用私有重载方法完成实际添加return true;
}

核心逻辑：add(E e, Object[] elementData, int s) 私有方法 java 运行

/*** 私有辅助方法：拆分add(E)逻辑以控制字节码大小（优化JIT内联）* @param e 待添加元素* @param elementData 当前底层数组* @param s 当前元素数量（size）*/
private void add(E e, Object[] elementData, int s) {// 关键判断：当前元素数量 == 底层数组长度 → 容量不足，需要扩容if (s == elementData.length)elementData = grow(); // 扩容（首次添加时触发）// 扩容后，将元素放入数组尾部，size+1elementData[s] = e;size = s + 1;
}

扩容核心：grow() 与 grow(int minCapacity) 方法

/*** 无参扩容：默认扩容到“当前size+1”（首次添加时size=0，minCapacity=1）*/
private Object[] grow() {return grow(size + 1); // 调用有参grow，传入“最小需要容量”
}/*** 有参扩容：根据最小需要容量计算新容量，生成新数组* @param minCapacity 最小需要容量（首次添加时为1）*/
private Object[] grow(int minCapacity) {int oldCapacity = elementData.length; // 旧容量（首次添加时为0）// 分支1：非默认空数组（如new ArrayList(0)创建的集合）if (oldCapacity > 0 || elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {// 计算新容量：优先按“旧容量*1.5”扩容，若不足则用minCapacityint newCapacity = ArraysSupport.newLength(oldCapacity,minCapacity - oldCapacity, // 最小增长幅度（需要补充的容量）oldCapacity >> 1           // 优先增长幅度（旧容量/2，即1.5倍扩容）);// 复制旧数组元素到新数组return elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);} // 分支2：默认空数组（无参构造new ArrayList()创建的集合）else {// 首次添加时，扩容到“默认容量10”与“minCapacity”的较大值（此时minCapacity=1，故取10）return elementData = new Object[Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity)];}
}

这里我们主要分析首次添加数据和第11次添加数据的情况：

首次添加数据

第11次添加数据

2.2 ArrayList底层实现原理

ArrayList底层由动态数组实现
AarrayList初始容量为0，当插入第一个数据时才会初始化容量为10
ArrayList进行扩容时时原容量的1.5倍（向下取整），每次扩容都要拷贝数组
ArrayList添加数据时：
确保数组已用长度+1后足够下个数据存储
计算数值容量，若当前数组已用长度+1后大于其容量，则用grow()方法进行扩容
确保有地方存储新数据后，将新元素添加到size的位置上
添加成功后返回布尔值true

2.3 如何实现数组与List间的转换

数组转List调用asList()方法，修改数组内容时，由于List和数组指向同一内存地址，因此List也会受影响
List转数组调用toArray方法，无参toArray方法返回Object数组，传入初始化对象数组，返回该对象数组，修改List内容时，由于是通过拷贝创建新对象，数组内容不会受影响