深入解析Java ArrayList：动态数组的实现与最佳实践

原创已于 2025-08-14 17:53:09 修改 · 617 阅读

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#开发语言 #java

于 2025-08-14 17:43:37 首次发布

作为Java集合框架中最常用的容器，ArrayList 凭借其高效的随机访问特性成为开发首选。本文将揭开其动态扩容的魔法，分析性能瓶颈，并总结避坑指南。

一、ArrayList 的本质

ArrayList 是基于动态数组实现的 List 接口，其核心特征：

✅ 支持随机访问（get(index) 时间复杂度 O(1)）
✅ 自动扩容（初始容量10，默认扩容1.5倍）
❌ 线程不安全（并发修改会抛 ConcurrentModificationException）
⚠️ 插入/删除效率依赖位置（尾部操作O(1)，头部O(n)）

二、底层结构与动态扩容

1. 核心数据结构

// 简化版源码实现
public class ArrayList<E> {
    transient Object[] elementData; // 实际存储数据的数组
    private int size; // 当前元素数量
}

2. 扩容机制详解

触发条件：当size + 1 > elementData.length时
扩容公式：newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1) // 1.5倍
扩容步骤：

创建新数组：Object[] newArray = new Object[newCapacity]
数据迁移：System.arraycopy(oldArray, 0, newArray, 0, size)
替换引用：elementData = newArray

示例：初始容量10 → 15 → 22 → 33 → 49...（指数级增长）

3. 关键参数

参数	默认值	说明
初始容量	10	空参构造时初始容量
最大数组长度	Integer.MAX_VALUE - 8	虚拟机数组头信息保留空间
扩容因子	1.5x	JDK 8+固定规则

三、时间复杂度与性能对比

操作	ArrayList	LinkedList
get(index)	O(1)	O(n)
add(尾部)	O(1)	O(1)
add(任意位置)	O(n)	O(1)
remove(index)	O(n)	O(1)
内存占用	低（仅数组）	高（节点+指针）

ArrayList适用场景：频繁随机访问、尾部增删
LinkedList适用场景：频繁在任意位置插入/删除

四、实战陷阱与最佳实践

⚠️ 陷阱1：并发修改异常

// 错误示例：遍历中删除元素
List<String> list = new ArrayList<>(Arrays.asList("A", "B", "C"));
for (String s : list) {
    if ("B".equals(s)) list.remove(s); // 抛出ConcurrentModificationException
}

// 正确做法1：使用Iterator.remove()
Iterator<String> it = list.iterator();
while (it.hasNext()) {
    if ("B".equals(it.next())) it.remove(); // 安全删除
}

// 正确做法2：Java 8+ removeIf()
list.removeIf(s -> "B".equals(s));

⚠️ 陷阱2：批量插入未预分配空间

// 低效做法：反复扩容
List<Integer> list = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < 100_000; i++) {
    list.add(i); // 可能触发多次扩容
}

// 高效方案：初始化指定容量
List<Integer> list = new ArrayList<>(100_000); // 一次分配足够空间

⚠️ 陷阱3：使用subList引发数据共享

List<Integer> mainList = new ArrayList<>(Arrays.asList(1,2,3));
List<Integer> sub = mainList.subList(0, 2); // 共享同一数组

sub.set(0, 99); // 修改subList
System.out.println(mainList); // 输出[99, 2, 3]！影响原集合

// 解决方案：需要独立拷贝
List<Integer> safeCopy = new ArrayList<>(mainList.subList(0, 2));

五、线程安全替代方案

需求	解决方案	特点
读多写少	`Collections.synchronizedList`	方法级synchronized锁，写性能差
高并发写	`CopyOnWriteArrayList`	写时复制，读无锁，适合监听器列表
高性能并发	外部加锁 + ArrayList	需自行控制锁粒度

六、性能优化技巧

初始化指定容量
new ArrayList<>(initialCapacity) 避免多次扩容拷贝。
批量添加使用addAll()
优先使用addAll(Collections)替代循环添加，减少扩容次数。
避免在中间位置插入
若需频繁在头部插入，考虑改用LinkedList或ArrayDeque。
trimToSize释放多余空间
列表定型后调用list.trimToSize()，释放空置数组空间。

七、与Vector的对比

	ArrayList	Vector
线程安全	❌	✅（方法级同步锁）
扩容因子	1.5x	2x（可自定义）
性能	更高	较低（锁开销）
遗留问题	无	枚举遍历等过时方法