ArrayList 的底层原理_arraylist的底层原理-优快云博客

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以下是 ArrayList 的底层原理的详细介绍，结合其动态数组实现、扩容机制、核心操作及线程安全性等方面展开：

一、底层结构与初始化

ArrayList 的底层基于 Object 数组 elementData 实现，通过动态扩容机制支持元素的动态增删。
• 核心属性：
• elementData：存储元素的数组，初始为空数组（无参构造时）。
• size：记录当前元素数量（非数组长度）。
• 初始容量：
• 默认初始容量为 10（首次添加元素时触发，在空参构造时创建一个ArrayList时默认是容量为0的）。
• 可通过构造器指定初始容量（如 new ArrayList<>(50)），避免频繁扩容。

二、动态扩容机制

当添加元素导致 size + 1 > elementData.length 时触发扩容：

扩容规则：
• 新容量 = 旧容量 × 1.5（通过 oldCapacity + (oldCapacity >> 1) 实现右移运算）。
• 若一次性添加多个元素（如 addAll()），直接扩容至 Math.max(原容量 × 1.5, 实际所需容量)。
扩容实现：
• 调用 Arrays.copyOf() 将旧数组数据复制到新数组，旧数组被 GC 回收。
• 最大容量限制为 Integer.MAX_VALUE - 8（避免内存溢出）。

三、核心操作的时间复杂度

操作	时间复杂度	说明
尾部追加元素	O(1) 均摊	扩容时需 O(n)，但均摊后为 O(1)。
随机访问	O(1)	直接通过数组索引访问（如 `get(index)`）。
插入/删除元素	O(n)	需移动后续元素（如 `add(index, e)` 或 `remove(index)`）。
遍历	O(n)	顺序访问数组元素。

四、线程安全性与替代方案

• 非线程安全：
• 多线程并发修改会导致数据不一致或 ConcurrentModificationException（通过 modCount 检测修改次数）。
• 解决方案：
• 使用 Collections.synchronizedList(new ArrayList<>()) 包装为同步列表。
• 高并发读场景下，采用 CopyOnWriteArrayList（写时复制，牺牲一致性）。

五、与 Vector 的对比

特性	ArrayList	Vector
线程安全性	非线程安全	线程安全（方法用 `synchronized` 修饰）。
扩容机制	扩容 1.5 倍	扩容 2 倍。
性能	更高（无锁开销）	较低（锁竞争）。
初始容量	默认 10（延迟初始化）	默认 10（直接初始化）。

六、性能优化建议

预分配容量：
• 若已知数据量，通过构造器指定初始容量（如 new ArrayList<>(1000)），减少扩容次数。
尾部操作优先：
• 避免频繁在中间插入/删除元素，尽量使用 add(e) 和 remove(size-1)。
慎用快速失败迭代器：
• 遍历时若需修改集合，改用 Iterator.remove() 或复制新集合操作。

七、源码关键方法解析

添加元素（add(e)）：

public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1); // 检查扩容
    elementData[size++] = e; // 尾部插入
    return true;
}

• ensureCapacityInternal() 确保容量足够，触发扩容逻辑。

扩容（grow()）：

private void grow(int minCapacity) {
    int oldCapacity = elementData.length;
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // 1.5倍扩容
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); // 复制数组
}