深入解析 ArrayList 源码：从动态扩容到高效存取的秘密

开篇语

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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
• 🧠 ArrayList 的适用场景
• 📝 结语

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🌟 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。

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🧩 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。

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🏗️ 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。

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⚙️ 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。

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🌱 ArrayList 的优缺点分析

优点

1. 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。
2. 动态扩容：容量不足时自动扩展，避免手动管理数组大小。
3. 实现简洁：ArrayList 的大部分操作都很直接，适合大部分场景。

缺点

1. 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。
2. 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。

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🧠 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。

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📝 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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文末

好啦，以上就是我这期的全部内容，如果有任何疑问，欢迎下方留言哦，咱们下期见。

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学习不分先后，知识不分多少；事无巨细，当以虚心求教；三人行，必有我师焉！！！

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