源码解析java集合框架，ArrayList源码

最新推荐文章于 2025-05-18 20:13:06 发布

原创最新推荐文章于 2025-05-18 20:13:06 发布 · 210 阅读

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本文剖析了ArrayList，它是List接口的实现类，底层是动态数组，适合存储及访问数据，非线程安全。还解读了其源码，包括构造方法、新增、获取和移除元素方法，指出其扩容机制，添加和移除元素需移动大量元素，效率低，查询操作效率高。

一、ArrayList剖析

ArrayList是List接口下的一个实现类，ArrayList是一个动态数组，底层数据结构为可以动态增长的数组，相比数组来说，ArrayList可以动态的增加删除元素，有成熟的扩容算法。

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如图，为ArrayList数据结构，是一个内存连续且紧凑的数组。ArrayList访问元素时间复杂度为O(1)，插入、删除需要移动大量元素，时间复杂度为O(n)，ArrayList适合存储及访问数据，不适合操作频繁的数据存储。

ArrayList非线程安全，多线程中不能使用ArrayList，可使用Vector。

二、源码解读

1、构造方法

1.1 无参构造方法

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

无参构造方法，里面只有一个赋值操作，把 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 赋值给 elementData，我们来看看它们都是什么：

transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access

private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

elementData 是一个Object数组，用来存储ArrayList元素，可见，ArrayList底层就是一个动态数组。

DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 是一个空数组，所以，调用无参构造方式只是新建一个空Object数组。

1.2 有参构造方法

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);
        }
    }

传入初始容量参数的构造方法，参数为整形，代表初始化Object数组长度。可以看到，当参数为0时，同样给 elementData 赋值了一个空Object数组。当大于0时，新建相应长度的数组。

2、ArrayList的新增元素方法

2.1 public boolean add(E e)

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

传入需要添加的元素e，elementData[size++] = e 把元素放置数组size++位置，紧接在后面。

ensureCapacityInternal(size + 1); 为ArrayList扩容，扩容是ArrayList中尤为重要且相对复杂的部分。

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

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

/** Default initial capacity.  */
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

calculateCapacity() 方法传入了新增元素后的容量minCapacity，也就是size++，和当前Object数组elementData。先判断elementData是否为空，如果为空则返回minCapacity与DEFAULT_CAPACITY中较大者，DEFAULT_CAPACITY是ArrayList初始化最小的容量，DEFAULT_CAPACITY值为10，所以，ArrayList的容量最小为10。

再来看ensureExplicitCapacity()方法：

protected transient int modCount = 0;

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;

    // overflow-conscious code
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);
}

ensureExplicitCapacity()方法传入了minCapacity与DEFAULT_CAPACITY比较之后的值，先是做判断，如果当前数组长度不够，则调用grow()方法扩容，如果足够则不扩容。

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);
    }

grow()方法是ArrayList真正扩容方法，oldCapacity >> 1 位移运算，相当于oldCapacity * 0.5，所以扩容后新的容量为1.5倍，每次增长0.5倍，最后使用Arrays工具类构建新的容量更大的数组。

2.2 public void add(int index, E element)

这个add()方法传入了两个参数，一个是所增加的元素，和新元素插入的位置索引index。

public void add(int index, E element) {
    rangeCheckForAdd(index);

    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                         size - index);
    elementData[index] = element;
    size++;
}

首先对index索引位置检验，不能超过数组长度，不能传负数，否则抛异常。

然后以同样的方式1.5倍扩容，再使用本地native方法System.arraycopy()把index后所有元素向后移动1，再把element元素插入到index位置，数组长度加1，相对上一个add()方法多了一个移动元素操作，很大可能需要移动大量元素，时间复杂度增加O(n)。

扩容机制小结

如果ArrayList初始化没指定容量，则最初ArrayList为空的数组，添加元素后初始化容量为10，当容量不够了每次增加0.5倍。

如果初始化指定容量则新建相应长度的数据，再往里添加元素，容量不够再每次增加0.5倍。

3、ArrayList的获取元素方法get(index)

public E get(int index) {

    rangeCheck(index);
    return elementData(index);
}

获取元素方法很简单，先对索引位置检验，是否超出数组长度，否则抛异常outofindex。

然后直接返回相应位置的元素，获取操作非常简便，时间复杂度很低，性能高。

4、ArrayList的移除元素方法remove(index)、remove(object)

public E remove(int index) {
        rangeCheck(index);

        modCount++;
        E oldValue = elementData(index);

        int numMoved = size - index - 1;
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                             numMoved);
        elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work

        return oldValue;
    }

方法返回的是所移除的元素，同样还是使用System.arraycopy()大量向前移动元素。

public boolean remove(Object o) {
        if (o == null) {
            for (int index = 0; index < size; index++)
                if (elementData[index] == null) {
                    fastRemove(index);
                    return true;
                }
        } else {
            for (int index = 0; index < size; index++)
                if (o.equals(elementData[index])) {
                    fastRemove(index);
                    return true;
                }
        }
        return false;
    }

这个方法传入的是要删除的元素值，思路是根据元素值匹配到元素所在的索引位置index，再向前移动后面的元素。

可见，移除元素同样需要移动大量的元素，时间复杂度大。