浅谈 ArrayList 的机制与原理

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1. 简介

ArrayList 集成自 AbstractList<E>.class，实现了 List<E> 、RandomAccess、Cloneable 以及 Serializable 接口

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable

ArrayList 是一个顺序容器，允许放入 null 元素，底层的数据结构是数组；为追求效率，ArrayList没有实现同步，所以它是线程不安全的，如果需要多个线程并发访问，可以使用 Collections.synchronizedList 创建一个线程同步的 ArrayList，当然，也可以手动同步

2. 底层数据结构详解

先来看看源码：

//底层的数组结构
transient Object[] elementData; 
//存放的元素大小
private int size;
//默认的数组容量
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

ArrayList 的数据都存储在 elementData 中，其中 size 是这个数组存放元素的数量，当第一次往 ArrayList 存放元素时，数组会被扩容成默认的长度 DEFAULT_CAPACITY 也就是 10，当然这个值是可以通过构造方法来设定的

从源码可以看到，它的底层数据结构实际上是一个 Object 类型的数组，那为什么 ArrayList 是一个泛型呢？

实际上 Java 泛型只是编译器提供的语法糖，所以这里的数组是一个Object数组，以便能够容纳任何类型的对象。

ArrayList 的三个构造函数：

// 设定初始化的数组容量
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);
    }
}
​
// 创建一个默认的 ArrayList
public ArrayList() {
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
​
// 讲一个 Collection 的元素全部拷贝到新创建的 ArrayList 中
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
    Object[] a = c.toArray();
    if ((size = a.length) != 0) {
        if (c.getClass() == ArrayList.class) {
            elementData = a;
        } else {
            elementData = Arrays.copyOf(a, size, Object[].class);
        }
    } else {
        // replace with empty array.
        elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
}

3. 扩容机制

每当向数组中添加元素时，都要去检查添加后元素的个数是否会超出当前数组的长度，如果超出，数组将会进行扩容，以满足添加数据的需求；数组扩容通过一个公开的方法 ensureCapacity(int minCapacity) 来实现。在实际添加大量元素前，我也可以调用这个方法来手动增加ArrayList实例的容量，以减少递增式再分配的数量。

数组进行扩容时，会将老数组中的元素重新拷贝一份到新的数组中，每次数组容量的增长大约是其原容量的1.5倍。这种操作的代价是很高的，因此在实际使用时，我们应该尽量避免数组容量的扩张

在实际使用时，我们在创建的时候就应该预估一个大小，并且有大量元素添加时，可以手动扩容

4. ArrayList 和 LinkedList 有什么区别

1. 是否保证线程安全： ArrayList 和 LinkedList 都是不同步的，也就是不保证线程安全；

2. 底层数据结构： Arraylist 底层使用的是 Object 数组；LinkedList 底层使用的是 双向链表 数据结构（JDK1.6 之前为循环链表，JDK1.7 取消了循环。注意双向链表和双向循环链表的区别，下面有介绍到！）

3. 插入和删除是否受元素位置的影响：

   • ArrayList 采用数组存储，所以插入和删除元素的时间复杂度受元素位置的影响。 比如：执行add(E e)方法的时候， ArrayList 会默认在将指定的元素追加到此列表的末尾，这种情况时间复杂度就是 O(1)。但是如果要在指定位置 i 插入和删除元素的话（add(int index, E element)）时间复杂度就为 O(n-i)。因为在进行上述操作的时候集合中第 i 和第 i 个元素之后的(n-i)个元素都要执行向后位/向前移一位的操作。
   • LinkedList 采用链表存储，所以，如果是在头尾插入或者删除元素不受元素位置的影响（add(E e)、addFirst(E e)、addLast(E e)、removeFirst() 、 removeLast()），近似 O(1)，如果是要在指定位置 i 插入和删除元素的话（add(int index, E element)，remove(Object o)） 时间复杂度近似为 O(n) ，因为需要先移动到指定位置再插入。

4. 是否支持快速随机访问： LinkedList 不支持高效的随机元素访问，而 ArrayList 支持。快速随机访问就是通过元素的序号快速获取元素对象(对应于get(int index)方法)。

5. 内存空间占用： ArrayList 的空 间浪费主要体现在在 list 列表的结尾会预留一定的容量空间，而 LinkedList 的空间花费则体现在它的每一个元素都需要消耗比 ArrayList 更多的空间（因为要存放直接后继和直接前驱以及数据）

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