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深入解析 ArrayList 源码：从动态扩容到高效存取的秘密

article 2024/11/27 14:56:06

全文目录：

- 开篇语
- 目录
- 🌟 前言
- 🧩 ArrayList 概述
- 🏗️ ArrayList 的底层实现
- - 📐 构造函数详解
  - 🏗️ 数组的动态扩容机制
- ⚙️ 核心方法源码解析
- - ➕ `add()` 方法的实现
  - ➖ `remove()` 方法的实现
  - 🔍 `get()` 和 `set()` 方法
- 🌱 ArrayList 的优缺点分析
- - 优点
  - 缺点
- 🧠 ArrayList 的适用场景
- 📝 结语
- 文末

开篇语

哈喽，各位小伙伴们，你们好呀，我是喵手。运营社区：C站/掘金/腾讯云/阿里云/华为云/51CTO；欢迎大家常来逛逛

今天我要给大家分享一些自己日常学习到的一些知识点，并以文字的形式跟大家一起交流，互相学习，一个人虽可以走的更快，但一群人可以走的更远。

我是一名后端开发爱好者，工作日常接触到最多的就是Java语言啦，所以我都尽量抽业余时间把自己所学到所会的，通过文章的形式进行输出，希望以这种方式帮助到更多的初学者或者想入门的小伙伴们，同时也能对自己的技术进行沉淀，加以复盘，查缺补漏。

小伙伴们在批阅的过程中，如果觉得文章不错，欢迎点赞、收藏、关注哦。三连即是对作者我写作道路上最好的鼓励与支持！

🌟 前言
🧩 ArrayList 概述
🏗️ ArrayList 的底层实现
- 📐 构造函数详解
- 🏗️ 数组的动态扩容机制
⚙️ 核心方法源码解析
- ➕ add() 方法的实现
- ➖ remove() 方法的实现
- 🔍 get() 和 set() 方法
🌱 ArrayList 的优缺点分析
🧠 ArrayList 的适用场景
📝 结语

🌟 前言

嗨，Java 的小伙伴们！提到集合类，你会想到什么？相信很多人脱口而出的就是 ArrayList。作为 Java 集合框架中的明星，ArrayList 因其简单易用、存取效率高、可动态扩容等特点，成为我们开发中常用的数据结构之一。可是，背后的实现到底如何？今天我们就带着好奇心，深入挖掘 ArrayList 源码，解锁它“魔法”般高效的秘密。

🧩 ArrayList 概述

在正式进入源码解析之前，先来个快速回顾。ArrayList 是 List 接口的实现类，本质上是一个基于动态数组的数据结构。它在内存中分配一块连续的空间，用于存储对象引用。当存储元素超过初始容量时，会自动扩容。这种机制使得它可以高效地支持随机存取和动态调整大小，非常适合于大多数需要频繁访问和追加元素的场景。

🏗️ ArrayList 的底层实现

📐 构造函数详解

ArrayList 提供了三个构造函数，我们逐个来看：

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

public ArrayList(int initialCapacity) {
    if (initialCapacity > 0) {
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
    } else if (initialCapacity == 0) {
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    } else {
        throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+ initialCapacity);
    }
}

public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
    elementData = c.toArray();
    if ((size = elementData.length) != 0) {
        if (elementData.getClass() != Object[].class)
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
    } else {
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
}

无参构造函数：默认初始化一个空数组，等到添加元素时才扩展到默认容量。
指定初始容量的构造函数：允许用户指定初始容量，避免频繁扩容导致的性能开销。
集合构造函数：使用现有集合创建 ArrayList，便于将其他集合转为 ArrayList。

🏗️ 数组的动态扩容机制

ArrayList 的关键特性就是“自动扩容”。当现有的数组空间不足以容纳新元素时，它会自动增加容量。默认情况下，每次扩容都会把数组大小增加为原来的 1.5 倍（即 newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1)）。

private void grow(int minCapacity) {
    int oldCapacity = elementData.length;
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // 扩容为1.5倍
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

这样做的好处是减少了数组扩容的次数，提升了性能。不过，扩容过程会涉及数组复制操作，因此在频繁增加大量元素的场景下，合理设置初始容量尤为重要。

⚙️ 核心方法源码解析

➕ `add()` 方法的实现

ArrayList 的 add() 方法用于向集合中追加元素。它会先判断容量是否够用，如果不够用，就会调用 grow() 方法扩容。

public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // 确保容量足够
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

这里可以看到，add() 方法的逻辑非常简洁清晰。检查容量后，将元素存入 elementData 数组，随后更新 size 大小。

➖ `remove()` 方法的实现

remove() 方法用于删除指定索引的元素。移除操作会造成元素“空洞”，所以 ArrayList 会将删除位置之后的元素向前移动，填补空缺。

public E remove(int index) {
    rangeCheck(index);
    E oldValue = elementData(index);
    int numMoved = size - index - 1;
    if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
    elementData[--size] = null;
    return oldValue;
}

从上面可以看出，remove() 方法的效率在删除末尾元素时较高，因为无需数组拷贝。然而，当删除位置较靠前时，移位操作的开销就会增大。对于这种情况，可以考虑 LinkedList 等链表结构。

🔍 `get()` 和 `set()` 方法

get() 和 set() 方法是 ArrayList 的读写操作，基于索引快速访问元素，非常高效。

public E get(int index) {
    rangeCheck(index);
    return elementData(index);
}

public E set(int index, E element) {
    rangeCheck(index);
    E oldValue = elementData(index);
    elementData[index] = element;
    return oldValue;
}

get() 方法通过索引直接定位到对应的元素，这也是 ArrayList 的优势之一。

🌱 ArrayList 的优缺点分析

优点

快速随机访问：基于数组实现，可以通过索引高效地访问元素。
动态扩容：容量不足时自动扩展，避免手动管理数组大小。
实现简洁：ArrayList 的大部分操作都很直接，适合大部分场景。

缺点

插入和删除性能较低：尤其是在头部和中间位置操作时，可能需要大量移位操作。
内存浪费：扩容机制可能导致内存浪费，特别是数据量波动较大的情况下。

🧠 ArrayList 的适用场景

根据 ArrayList 的特点，它适合以下应用场景：

需要快速随机访问的场景，例如通过索引频繁获取数据的应用。
数据量较小且变化不大的集合。
追加和读取操作频繁的应用，但不适合在中间位置频繁插入或删除的情况。

📝 结语

ArrayList 的源码实现展现了 Java 集合框架的设计之美。从构造函数到核心方法，我们看到了一个基于数组的动态数据结构如何通过扩容、移位等操作，平衡了效率和易用性。在实际开发中，选择集合类型时可以根据具体场景的需求来判断 ArrayList 是否为最佳选择。希望通过这篇解析，你能更加得心应手地使用 ArrayList，更深入地理解 Java 集合框架的实现原理！

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