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JAVA 中的 ArrayList 工作原理

news 来源：原创 2025/5/1 6:29:14

‌ArrayList 的核心工作原理‌

ArrayList 是 Java 中基于 ‌动态数组‌ 实现的高效列表，核心机制如下：

‌1. 底层数据结构‌

‌动态数组‌：内部使用 Object[] elementData 存储元素，支持动态扩容‌。
‌内存连续‌：元素在内存中连续分配，‌随机访问性能高‌（时间复杂度 O(1)）‌。

‌2. 自动扩容机制‌

‌默认初始容量‌：10（空构造方法初始化时数组为空，首次添加元素时扩容到 10）‌。
‌触发条件‌：当添加元素时，若当前容量不足（size >= elementData.length），触发扩容‌。

‌扩容策略‌：

// 新容量 = 旧容量 + 旧容量右移1位（即旧容量的1.5倍）
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);

若仍不足，则直接扩容到所需的最小容量（如 addAll(Collection) 时）‌。

‌3. 增删改查操作‌

‌添加元素‌：
- 尾部追加（add(E e)）：直接插入，时间复杂度 O(1)‌。
- 指定位置插入（add(int index, E e)）：需移动后续元素，时间复杂度 O(n)‌。
‌删除元素‌：
- 删除末尾元素（remove(int index)）：时间复杂度 O(1)。
- 删除中间元素：需移动后续元素，时间复杂度 O(n)‌。
‌查询元素‌：通过索引直接访问（get(int index)），时间复杂度 O(1)‌。

‌4. 线程安全性‌

‌非线程安全‌：默认未加锁，多线程并发修改可能导致数据不一致或 ConcurrentModificationException‌。

‌同步方案‌：

List<String> synchronizedList = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());

或使用 CopyOnWriteArrayList（读多写少场景）‌。

‌5. 快速失败机制（Fail-Fast）‌

‌迭代器行为‌：迭代过程中若检测到结构性修改（如增删元素），立即抛出 ConcurrentModificationException‌。
‌实现原理‌：通过 modCount 字段记录修改次数，迭代时检查是否与预期一致‌。

‌6. 性能优化建议‌

‌预分配容量‌：若已知数据量，初始化时指定容量避免频繁扩容‌。
```
ArrayList<String> list = new ArrayList<>(1000); // 初始容量1000
```
‌避免频繁中间插入/删除‌：大量中间操作时，优先考虑 LinkedList‌。

‌核心源码解析‌

// 添加元素（触发扩容）
public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // 检查容量
    elementData[size++] = e;          // 尾部插入
    return true;
}

// 扩容逻辑
private void grow(int minCapacity) {
    int oldCapacity = elementData.length;
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // 1.5倍扩容
    if (newCapacity < minCapacity) newCapacity = minCapacity;
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

‌对比其他集合‌

‌维度‌	‌ArrayList‌	‌LinkedList‌	‌Vector‌
数据结构	动态数组	双向链表	动态数组（线程安全）
随机访问性能	O(1)	O(n)	O(1)
中间插入/删除	O(n)	O(1)	O(n)
线程安全	否	否	是（同步锁）