ArrayList集合底层原理

1. 底层数据结构

• 核心是一个 Object[] 数组：
  ArrayList 内部维护一个 Object 类型的数组 elementData，用于存储所有元素。

  transient Object[] elementData; // 实际存储元素的数组

• 默认初始容量：

  • 默认初始容量为 10（通过无参构造器创建时）。

  • 可指定初始容量（new ArrayList<>(100)），避免频繁扩容。

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2. 动态扩容机制

扩容触发条件

当添加元素（add()）时，如果当前数组已满（size == elementData.length），会自动触发扩容。

扩容规则

1. 计算新容量：
   新容量一般为旧容量的 1.5 倍（通过位运算 oldCapacity + (oldCapacity >> 1) 实现）。

   int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // 1.5 倍扩容

2. 处理最小扩容需求：
   如果用户一次添加多个元素（如 addAll()），新容量可能需更大，取 需求容量 和 1.5 倍旧容量 的较大值。

3. 数组拷贝：
   通过 Arrays.copyOf() 创建一个新数组，并将旧数组数据复制到新数组中。

   elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);

示例

• 初始容量为 10，添加第 11 个元素时触发扩容 → 新容量为 15。

• 继续添加到第 16 个元素 → 再次扩容到 22（15 × 1.5 = 22.5，向下取整为 22）。

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3. 基本操作原理

添加元素（add(E e)）

• 直接追加：
  时间复杂度 O(1)（不触发扩容时）。

• 扩容时：
  时间复杂度 O(n)（需复制数组），但分摊时间复杂度仍为 O(1)。

插入元素（add(int index, E e)）

• 移动元素：
  将插入位置后的元素向后移动一位（通过 System.arraycopy()）。

  System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index);

• 时间复杂度：
  O(n)（最坏情况下需移动所有元素）。

删除元素（remove(int index)）

• 移动元素：
  将删除位置后的元素向前移动一位。

  System.arraycopy(elementData, index + 1, elementData, index, size - index - 1);

• 时间复杂度：
  O(n)（最坏情况下需移动所有元素）。

查询元素（get(int index)）

• 直接访问数组：

  return (E) elementData[index]; // 时间复杂度 O(1)

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4. 关键特性

优点

1. 动态扩容：无需手动处理数组扩容，适合数据量不确定的场景。

2. 随机访问高效：通过索引直接访问元素，时间复杂度 O(1)。

3. 内存紧凑：连续存储，缓存友好，适合遍历操作。

4. 兼容泛型：支持泛型（如 ArrayList<String>），类型安全。

缺点

1. 插入/删除效率低：需移动元素，时间复杂度 O(n)。

2. 内存浪费：扩容机制可能导致未使用的预留空间（如容量为 15，实际只存 11 个元素）。

3. 非线程安全：多线程环境下需手动同步或改用 Vector（性能更低）。

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5. 与普通数组的对比

特性	普通数组	ArrayList
长度固定	初始化后长度不可变	动态扩容
类型	可以是基本类型（如 int[]）	只能存储对象（需装箱/拆箱）
内存管理	无额外开销	有容量预留（可能浪费内存）
功能扩展	无内置方法	提供丰富 API（如排序、遍历等）

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6. 源码设计细节

• 优化删除操作：
  删除元素后，将最后一个位置置为 null（帮助垃圾回收）。

  elementData[--size] = null; // 显式清除引用

• 快速失败机制（Fail-Fast）：
  通过 modCount 记录修改次数，迭代时检测并发修改并抛出 ConcurrentModificationException。

• 序列化优化：
  elementData 标记为 transient，序列化时仅写入实际元素（避免序列化空余容量）。

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适用场景

• 高频随机访问：如通过索引快速读取数据。

• 数据量动态变化：需要自动扩容的场景。

• 顺序遍历操作：如批量处理数据。

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总结

ArrayList 通过动态数组的机制，在普通数组的基础上实现了灵活性和功能扩展：

• 动态扩容：1.5 倍增长策略平衡了内存和性能。

• 高效随机访问：底层数组实现 O(1) 的索引访问。

• 功能丰富：提供增删改查、排序、遍历等 API。

但其插入/删除效率低的缺点，在需要频繁修改数据的场景下，可改用 LinkedList（基于链表）。