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一、ArrayList 简介
ArrayList 是 Java 集合框架中基于数组实现的可变长度列表，其核心特性是：
- 支持随机访问（通过索引）
- 支持动态扩容
- 插入/删除效率较低（非尾部操作）
二、底层数据结构
// JDK 11+
transient Object[] elementData; // 实际存储元素的数组
三、容量与初始状态
默认构造函数
public ArrayList() {this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
默认初始值为一个空数组，不分配空间，首次添加元素时分配容量。
指定初始容量
public ArrayList(int initialCapacity) {if (initialCapacity > 0) {this.elementData = new Object[initialCapacity];}
}
开发中建议：尽量提前估算容量，减少扩容次数
四、扩容机制核心原理
触发条件：
当新增元素导致 size > elementData.length 时触发扩容。
扩容策略：
新容量 = 原容量 + (原容量 >> 1) = 原容量 * 1.5
例如：
- 当前容量 10 → 扩容后为 15
- 当前容量 15 → 扩容后为 22
五、源码详解（以 JDK 8 为例）
添加元素核心方法：
public boolean add(E e) {ensureCapacityInternal(size + 1); // 确保有容量elementData[size++] = e;return true;
}
ensureCapacityInternal(int minCapacity)
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);}ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
ensureExplicitCapacity(int minCapacity)
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {modCount++; // fail-fast 标识if (minCapacity - elementData.length > 0)grow(minCapacity); // 核心：扩容方法
}
grow(int minCapacity)
private void grow(int minCapacity) {int oldCapacity = elementData.length;int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // 扩容1.5倍if (newCapacity - minCapacity < 0)newCapacity = minCapacity; // 不够就按最小需求扩if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); // 复制数组
}
六、最大容量限制
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
超过该限制会抛出 OutOfMemoryError。
七、扩容操作的成本
- 使用
Arrays.copyOf()进行数组复制，时间复杂度为O(n) - 多次扩容会引起频繁复制，影响性能
八、如何避免频繁扩容？
方式一：指定初始容量
List<String> list = new ArrayList<>(1000); // 预估大小
方式二：批量添加前调用 ensureCapacity
list.ensureCapacity(10000); // 批量操作前手动扩容
九、总结对比：不同初始化方式
| 构造方式 | 初始容量 | 首次添加触发扩容 | 是否推荐 |
|---|---|---|---|
new ArrayList() | 0 | 是（容量为10） | ⚠️ 慎用 |
new ArrayList(20) | 20 | 否 | ✅ 推荐 |
new ArrayList(list) | 原容量 | 否 | ✅ 推荐 |
十、扩容流程图
graph TD
A[add(e)] --> B[ensureCapacityInternal]
B --> C[ensureExplicitCapacity]
C --> D{容量够吗？}
D -- 是 --> E[添加成功]
D -- 否 --> F[grow 扩容]
F --> G[复制新数组]
G --> E
十一、常见面试题
Q1：ArrayList 每次扩容增长多少？
- 默认是 1.5 倍（即
old + old/2）
Q2：频繁 add 元素时怎么优化？
- 预估大小，构造时指定初始容量
- 或调用
ensureCapacity
Q3：ArrayList 最大能容纳多少元素？
Integer.MAX_VALUE - 8≈ 2^31 - 9
十二、总结
| 点位 | 描述 |
|---|---|
| 数据结构 | 动态数组 Object[] |
| 扩容触发 | 新增元素导致数组容量不够 |
| 扩容增长率 | 1.5倍 |
| 拷贝机制 | Arrays.copyOf() 整体复制 |
| 最大容量 | Integer.MAX_VALUE - 8 |
| 性能建议 | 尽量设定初始容量，避免频繁扩容 |