深入浅出 ArrayList：从基础用法到底层原理的全面解析（上）

Elieal2025-08-26 8:30

在 Java 开发中，集合框架是日常编码的 "基础设施"，而 ArrayList 作为其中最常用的 List 实现类，几乎出现在每一个 Java 项目中。无论是存储数据、遍历集合，还是处理动态数据场景，ArrayList 都以其便捷性和高效性成为开发者的首选。但很多人对 ArrayList 的理解仅停留在 "能用来存数据" 的层面，对其底层结构、扩容机制、线程安全等核心问题一知半解。本文将从基础到深入，带你全面掌握 ArrayList 的核心知识，帮你在实际开发中避坑提效。

一、ArrayList 是什么？------ 从定义到底层结构

1.1 ArrayList 的官方定位

ArrayList 是 Java 集合框架中java.util包下的一个动态数组实现类，它实现了 List 接口，继承自 AbstractList 抽象类，同时还实现了 Cloneable（支持克隆）、Serializable（支持序列化）、RandomAccess（支持随机访问）三个标记接口。

官方文档对 ArrayList 的描述是："可动态调整大小的数组实现，允许存储所有类型的元素（包括 null），并提供了基于索引的快速访问能力"。简单来说，ArrayList 就是 "能自动扩容的数组"------ 解决了普通数组 "初始化后容量固定，无法动态添加元素" 的痛点。

1.2 ArrayList 与普通数组的区别

很多人会疑惑："既然有普通数组，为什么还要用 ArrayList？" 其实两者的核心差异体现在 "灵活性" 和 "功能完整性" 上，具体对比如下：

特性 普通数组（Array） ArrayList
容量特性 初始化时必须指定容量，且不可变 容量动态扩展，无需手动指定初始值
元素操作 仅支持通过索引访问，无内置方法 提供 add/remove/get/contains 等丰富方法
存储类型 支持基本类型（int []）和引用类型 仅支持引用类型（存储基本类型需用包装类，如 Integer）
长度获取 通过 "数组名.length"（属性） 通过 "list.size ()"（方法）
空元素支持 引用类型数组可存 null，基本类型不行 支持存储任意数量的 null 元素

举个简单例子：如果需要存储一个 "不确定长度的用户列表"，用普通数组会面临 "容量不够时需要手动创建新数组、复制元素" 的麻烦，而 ArrayList 会自动处理扩容，开发者只需专注于 "存数据" 即可。

1.3 ArrayList 的底层结构

ArrayList 的底层是通过一个Object 类型的数组（elementData） 来存储元素的，核心源码如下（基于 JDK 1.8）：

java 复制代码 
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
    // 序列化版本号
    private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;

    // 默认初始容量（JDK 1.8中，无参构造初始化时不立即分配，第一次add时才扩容到10）
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

    // 空数组（无参构造初始化时使用）
    private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

    // 默认空数组（区别于EMPTY_ELEMENTDATA，用于无参构造，标记"未初始化"状态）
    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

    // 底层存储元素的数组（transient修饰：序列化时需手动处理，避免序列化空元素）
    transient Object[] elementData;

    // 集合中实际存储的元素个数（注意：不是数组容量）
    private int size;

    // 省略其他方法...
}

从源码可以看出：

  • elementData是 ArrayList 的 "核心容器"，所有元素都存在这个数组里；
  • size记录的是 "当前集合中元素的实际数量"，而elementData.length才是 "数组的容量"（即能容纳的最大元素数）；
  • transient修饰elementData：因为 ArrayList 的容量可能大于实际元素个数，序列化时只需要保存有值的元素，避免浪费空间，所以 ArrayList 重写了writeObject和readObject方法手动处理序列化。

二、ArrayList 核心特性 ------ 必须掌握的 4 个关键点

在使用 ArrayList 前，必须先明确它的核心特性，这直接决定了它的适用场景和避坑方向。

2.1 有序性：元素存储顺序与插入顺序一致

ArrayList 是有序集合，这里的 "有序" 指的是 "元素的存储顺序与插入顺序完全一致"，并且支持通过索引（0-based）精确访问元素。

举个例子：

java 复制代码 
public class ArrayListOrderDemo {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        list.add("苹果");
        list.add("香蕉");
        list.add("橙子");
        
        // 遍历集合：输出顺序与插入顺序一致
        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
            System.out.println(i + ":" + list.get(i));
        }
    }
}

输出结果：

java 复制代码 
0:苹果
1:香蕉
2:橙子

这一点与 HashSet（无序）、HashMap（key 无序，JDK 1.8 后 LinkedHashMap 有序）形成鲜明对比，适合需要 "按插入顺序存储和访问" 的场景（如用户操作日志、订单列表）。

2.2 可重复性：允许存储重复元素

ArrayList 允许存储多个相同的元素（包括 null），这一点与 Set 接口（不允许重复元素）完全不同。

示例代码：

java 复制代码 
public class ArrayListDuplicateDemo {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list = new ArrayList<>();
        list.add(10);
        list.add(20);
        list.add(10); // 重复元素
        list.add(null); // 存储null
        list.add(null); // 重复null
        
        System.out.println(list); // 输出：[10, 20, 10, null, null]
    }
}

需要注意的是：当调用contains(Object o)判断元素是否存在时，ArrayList 会通过equals()方法比较元素（null 元素会直接判断是否为 null），因此如果存储自定义对象，需要重写equals()方法才能正确判断重复。

2.3 随机访问：查询效率极高

ArrayList 实现了RandomAccess接口（标记接口，无实际方法），表示它支持 "随机访问"------ 即通过索引（get(int index)）直接定位元素，时间复杂度为O(1)。

这是因为底层是数组，数组的内存空间是 "连续的"，通过 "数组首地址 + 索引 × 元素大小" 的计算方式，能直接找到元素的内存位置，无需像 LinkedList（链表结构）那样从头遍历。

示例：查询 ArrayList 和 LinkedList 的效率对比（以 100 万条数据为例）

java 复制代码 
public class ArrayListAccessSpeedDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 初始化ArrayList和LinkedList，各存100万条数据
        List<Integer> arrayList = new ArrayList<>();
        List<Integer> linkedList = new LinkedList<>();
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            arrayList.add(i);
            linkedList.add(i);
        }

        // 测试ArrayList随机访问（访问第50万条数据）
        long start1 = System.currentTimeMillis();
        arrayList.get(500000);
        long end1 = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("ArrayList随机访问时间：" + (end1 - start1) + "ms");

        // 测试LinkedList随机访问
        long start2 = System.currentTimeMillis();
        linkedList.get(500000);
        long end2 = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("LinkedList随机访问时间：" + (end2 - start2) + "ms");
    }
}

输出结果（仅供参考）：

java 复制代码 
ArrayList随机访问时间：0ms
LinkedList随机访问时间：35ms

可以看到，ArrayList 的随机访问效率远超 LinkedList，这也是它成为 "查询密集型场景首选" 的核心原因。

2.4 非线程安全：多线程环境下需谨慎

ArrayList不是线程安全的（线程不安全的集合还有 HashMap、HashSet 等），在多线程同时对 ArrayList 进行 "添加 / 删除" 操作时，可能会出现两种问题：

  1. ConcurrentModificationException（并发修改异常）：迭代器遍历过程中，其他线程修改了集合结构；
  2. 数据不一致：如元素丢失、数组越界等。

示例：多线程下的 ConcurrentModificationException

java 复制代码 
public class ArrayListThreadSafeDemo {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<>();

        // 线程1：添加元素
        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                list.add("元素" + i);
            }
        }).start();

        // 线程2：遍历集合
        new Thread(() -> {
            Iterator<String> iterator = list.iterator();
            while (iterator.hasNext()) {
                System.out.println(iterator.next());
            }
        }).start();
    }
}

运行后大概率会抛出异常：

java 复制代码 
Exception in thread "Thread-1" java.util.ConcurrentModificationException
    at java.util.ArrayList$Itr.checkForComodification(ArrayList.java:909)
    at java.util.ArrayList$Itr.next(ArrayList.java:859)
    at com.example.ArrayListThreadSafeDemo.lambda$main$1(ArrayListThreadSafeDemo.java:19)

关于线程安全的解决方案，后文会详细讲解，这里先记住：单线程环境用 ArrayList，多线程环境需额外处理线程安全。

三、ArrayList 构造方法详解 ------3 种初始化方式

ArrayList 提供了 3 个常用的构造方法，不同的初始化方式对应不同的使用场景，理解它们的差异能帮助你更合理地初始化 ArrayList，避免不必要的性能消耗。

3.1 无参构造方法：ArrayList ()

无参构造是日常开发中最常用的方式，源码如下（JDK 1.8）：

java 复制代码 
public ArrayList() {
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

这里有个关键细节：JDK 1.8 中，无参构造并不会立即创建容量为 10 的数组，而是将 elementData 赋值为 "空数组 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA" ，只有当第一次调用add()方法时，才会触发扩容，将数组容量初始化为 10。

这种 "延迟初始化" 的设计是为了节省内存 ------ 如果创建了 ArrayList 但暂时不存元素，就不会占用 10 个 Object 的内存空间（尤其在创建大量空 ArrayList 时，优化效果明显）。

示例：无参构造的使用

java 复制代码 
// 无参初始化：此时elementData是DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA（空数组）
List<String> list = new ArrayList<>();
// 第一次add：触发扩容，elementData容量变为10
list.add("第一次添加");

3.2 指定初始容量构造方法：ArrayList (int initialCapacity)

如果提前知道集合大概会存储多少元素，可以用这个构造方法指定初始容量，避免后续频繁扩容（扩容会消耗性能）。

源码如下：

java 复制代码 
public ArrayList(int initialCapacity) {
    if (initialCapacity > 0) {
        // 初始容量>0：创建指定容量的Object数组
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
    } else if (initialCapacity == 0) {
        // 初始容量=0：使用空数组EMPTY_ELEMENTDATA
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    } else {
        // 初始容量<0：抛出非法参数异常
        throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: " + initialCapacity);
    }
}

适用场景：已知元素数量的场景（如存储 100 个用户信息），示例：

java 复制代码 
// 提前知道要存100个用户，指定初始容量100，避免扩容
List<User> userList = new ArrayList<>(100);
for (int i = 0; i < 100; i++) {
    userList.add(new User("用户" + i));
}

注意：如果指定的初始容量小于 0，会抛出IllegalArgumentException，开发中需避免这种错误。

3.3 传入集合构造方法：ArrayList (Collection<? extends E> c)

如果需要将其他集合（如 HashSet、LinkedList）中的元素 "复制" 到 ArrayList 中，可以用这个构造方法，源码如下：

java 复制代码 
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
    // 将传入的集合转为数组，赋值给elementData
    elementData = c.toArray();
    // 如果数组长度>0：
    if ((size = elementData.length) != 0) {
        // 判断c.toArray()返回的是否是Object[]类型（避免某些集合的toArray()返回子类数组）
        if (elementData.getClass() != Object[].class) {
            // 复制为Object[]数组（确保底层是Object[]，避免类型转换问题）
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
        }
    } else {
        // 数组长度=0：使用空数组EMPTY_ELEMENTDATA
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
}

示例：将 HashSet 的元素复制到 ArrayList 中

java 复制代码 
// 创建HashSet（无序、无重复）
Set<String> set = new HashSet<>();
set.add("a");
set.add("b");
set.add("c");

// 将HashSet转为ArrayList（转为有序集合）
List<String> list = new ArrayList<>(set);
System.out.println(list); // 输出可能是[a, b, c]或其他顺序（取决于HashSet的哈希分布）

注意：c.toArray()可能返回非 Object [] 类型的数组（如某些自定义集合），因此源码中会通过Arrays.copyOf转为 Object []，确保 ArrayList 的底层数组类型正确。

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