深度解析ArrayList：灵活高效的动态数组实现

今天药忘吃喽~ 2024-02-05 12:51 10阅读 0赞

在 Java 集合框架中，ArrayList 是一个常用而强大的类，它提供了动态数组的实现，允许在运行时动态调整数组的大小。  
ArrayList 是 List 接口的实现类，基于动态数组的数据结构。它可以存储任意类型的对象，并提供了丰富的方法，包括添加、删除、遍历等，使其在各种场景下都能发挥重要作用。

![arrayList.jpg][]

#### 底层数据结构 ####

`ArrayList` 的底层数据结构是动态数组，其容量是动态调整的。这意味着 ArrayList 可以根据需要自动增长或缩小。

比如有一个ArrayList,size = 3;

![arrayList.png][]

ArrayList属性源码如下：

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
            implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
    {
        
        private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;
        
        // 默认初始容量
        private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
        
        // 空数组实例，用于空 ArrayList 的初始值
        private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {
        };
    
        // 默认大小的空数组实例，用于默认初始容量的 ArrayList
        private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {
        };
    
        // 存储ArrayList元素的数组。
        // ArrayList的容量就是这个数组的长度。
        // 任何elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA的空ArrayList，
        // 在添加第一个元素时会扩展为DEFAULT_CAPACITY。
        transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
    
        // ArrayList 的大小（元素的数量）
        private int size;
        
        //带初始化容量参数的构造方法
        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);
            }
        }
    
        //不带参数的构造方法
        public ArrayList() {
        
            this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
        }
        
        .
        .
        .
    }

从源码可以看到，`elementData`数组是实际存储元素的地方。`size`变量跟踪`ArrayList`的大小。当你向`ArrayList`中添加元素时，它们会存储在`elementData`数组中，并相应地更新`size`。

对于 ArrayList 中的 elementData 字段，它被声明为 transient 的目的是在序列化时避免将数组内容直接序列化到持久存储中。这是因为 ArrayList 的实际元素可能只占用数组的一部分，而不是整个数组。在反序列化时，elementData 会在构造对象时被重新初始化。

在 ArrayList 类中，具体的反序列化过程是通过实现 readObject 方法来完成的。在该方法中，elementData 被重新赋值，以便在反序列化后正确恢复 ArrayList 对象。

以下是 ArrayList 中的关键部分，用于反序列化：

private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
        throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
        // 将 elementData 初始化为 EMPTY_ELEMENTDATA
        elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    
        // Read in size, and any hidden stuff
        s.defaultReadObject();
    
        // Read in capacity
        s.readInt(); // ignored
    
        if (size > 0) {
            // be like clone(), allocate array based upon size not capacity
            int capacity = calculateCapacity(elementData, size);
            SharedSecrets.getJavaOISAccess().checkArray(s, Object[].class, capacity);
            ensureCapacityInternal(size);
    
            Object[] a = elementData;
            // Read in all elements in the proper order.
            for (int i=0; i<size; i++) {
                a[i] = s.readObject();
            }
        }
    }

#### 初始化容量 ####

在使用 new ArrayList() 初始化时，ArrayList 的内部数组 elementData 初始化为一个空数组（EMPTY\_ELEMENTDATA），并在添加第一个元素时才进行实际的初始化和分配。默认情况下，ArrayList 的初始容量为 10，即创建一个长度为 10 的空数组。当向 ArrayList 添加元素时，如果容量不足，会触发扩容机制，将数组长度扩大为原来的 1.5 倍。

//带初始化容量参数的构造方法
    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);
        }
    }
    
    //不带参数的构造方法
    public ArrayList() {
        
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }

#### 扩容机制 ####

ArrayList 的扩容机制是在 ensureCapacityInternal 和 grow 方法中实现的。当元素个数达到当前容量时，会触发扩容，将数组长度扩大为原来的 1.5 倍。

当我们向ArrayList 中添加元素(调用add()或者addAll())时,都调用了一个`ensureCapacityInternal（）`方法

我们来看源码：

add()

public boolean add(E e) {
        
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }

addAll()

public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
        
        Object[] a = c.toArray();
        int numNew = a.length;
        ensureCapacityInternal(size + numNew);  // Increments modCount
        System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
        size += numNew;
        return numNew != 0;
    }

从源码可以看到，这两个方法都调用了`ensureCapacityInternal（）`这个方法，参数是当前list的长度加上要插入的对象个数（单个对象的话为1，对象集合的话是集合的长度），既集合添加元素所需最小的长度

ensureCapacityInternal（）

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        
        ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
    }

`ensureExplicitCapacity()` 方法的入参是`calculateCapacity（）`（参数是存储实际元素的数组和集合添加元素所需最小的长度） 方法处理后的值。

calculateCapacity（）

private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
        
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        
            return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }
        return minCapacity;
    }

当前方法返回的值是如果源集合是空的，则返回 默认容量（10）和元素集合添加元素所需最小的长度值比较，值大的一个，若不为空则返回minCapacity。

![\_20230828230112.png][20230828230112.png]

ensureExplicitCapacity()

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        modCount++;
    
        // overflow-conscious code
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
    }

**grow()**

private void grow(int minCapacity) {
        
        // overflow-conscious code
        int oldCapacity = elementData.length;
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            newCapacity = minCapacity;
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
        // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }

我们来详细解读下这段代码

*  int oldCapacity = elementData.length;

获取当前数组的容量，也就是elementData数组的长度，即当前存储元素的数组长度。

*  int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);

计算新的容量。这里使用位运算右移1位（相当于除以2）的方式，将当前容量扩大1.5倍。

*  if (newCapacity - minCapacity < 0)

检查计算得到的新容量是否满足最小容量要求。如果不满足，则将新容量设置为最小容量minCapacity。

*  if (newCapacity - MAX\_ARRAY\_SIZE > 0)

检查新容量是否超过了最大数组容量限制。MAX\_ARRAY\_SIZE是ArrayList内部定义的一个常量，表示数组的最大容量。如果新容量超过这个限制，就调用hugeCapacity(minCapacity)方法来获得一个足够大的容量。

![\_20230828230251.png][20230828230251.png]

![\_20230828230304.png][20230828230304.png]

*  elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);

使用Arrays.copyOf()方法将原有的elementData数组复制到一个新数组中，新数组的容量为计算得到的新容量newCapacity。这实现了实际的数组扩容操作。

#### 特点 ####

随机访问元素效率高，因为底层是数组。

添加、删除元素效率较低，因为可能需要移动元素。

允许存储重复元素。

允许存储 null 元素。

支持动态调整容量。

#### 适用场景 ####

适用于频繁读取元素和随机访问的场景。

不适用于频繁添加和删除元素的大规模操作，因为这可能导致性能下降。

ArrayList不是线程安全的，不适合在多线程环境下使用。

### 总结： ###

ArrayList 是 Java 集合框架中一款强大而灵活的动态数组实现，它的设计和性能特点使得它在许多场景下都能发挥重要作用。在实际开发中，根据具体需求选择合适的集合类是至关重要的，而 ArrayList 无疑是一个常用的选择。

通过本文的深度解析，希望读者能更全面地了解 ArrayList，并在实际项目中充分发挥其优势，提高代码的效率和可维护性。

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