Java ArrayList 详解

ArrayList 是 Java 集合框架（Collection Framework）中最常用的类之一，是一种基于动态数组的数据结构，属于 List 接口的实现类。它允许存储重复的元素，有序，支持随机访问，且动态扩容。

---

1. ArrayList 的特点

1. 有序：ArrayList 按照元素插入的顺序存储，并按索引位置访问。
2. 允许重复元素：可以存储重复值。
3. 动态扩容：当容量不足时，会自动扩展存储空间。
4. 随机访问：通过索引快速访问元素（时间复杂度 O(1)）。
5. 线程不安全：ArrayList 不是线程安全的，多个线程同时修改需要手动同步。
6. 实现接口：实现了 List 接口，同时支持 RandomAccess、Cloneable 和 Serializable。

---

2. ArrayList 的基本用法

2.1 创建与初始化

import java.util.ArrayList;

public class ArrayListExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建空的 ArrayList
        ArrayList<String> list = new ArrayList<>();

        // 添加元素
        list.add("Apple");
        list.add("Banana");
        list.add("Cherry");

        // 输出列表
        System.out.println("List: " + list); // 输出: [Apple, Banana, Cherry]
    }
}

2.2 常用方法

import java.util.ArrayList;

public class ArrayListExample {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
        
        // 添加元素
        list.add("A");
        list.add("B");
        list.add("C");

        // 获取元素
        System.out.println("Element at index 1: " + list.get(1)); // 输出: B

        // 修改元素
        list.set(1, "Z");
        System.out.println("After update: " + list); // 输出: [A, Z, C]

        // 删除元素
        list.remove("A");
        System.out.println("After removal: " + list); // 输出: [Z, C]

        // 检查是否包含
        System.out.println("Contains B? " + list.contains("B")); // 输出: false

        // 遍历
        for (String s : list) {
            System.out.println(s);
        }

        // 清空列表
        list.clear();
        System.out.println("Is empty? " + list.isEmpty()); // 输出: true
    }
}

---

3. ArrayList 的常用操作方法

方法	描述
add(E e)	在列表末尾添加元素。
add(int index, E element)	在指定位置插入元素，原位置及后续元素右移。
remove(Object o)	删除首次出现的指定元素。
remove(int index)	删除指定索引位置的元素。
get(int index)	获取指定索引位置的元素。
set(int index, E element)	替换指定索引位置的元素为新的元素。
size()	返回列表中元素的数量。
contains(Object o)	检查列表中是否包含指定元素。
indexOf(Object o)	返回元素的首次出现位置，若不存在则返回 -1。
lastIndexOf(Object o)	返回元素最后一次出现的位置。
clear()	清空列表中的所有元素。
isEmpty()	检查列表是否为空。
toArray()	将列表转换为数组。
addAll(Collection<? extends E>)	添加另一个集合的所有元素到列表。
sort(Comparator<? super E>)	对列表进行排序。

---

4. ArrayList 的工作原理

4.1 动态数组实现

• 初始容量：创建时，如果未指定容量，ArrayList 默认初始容量为 10。
• 扩容机制：当存储的元素数量超过当前容量时，ArrayList 会动态扩容。扩容后的新容量为 原容量的 1.5 倍。
• 实现细节：底层通过数组 Object[] elementData 来存储元素。

扩容的实现代码：

private void grow(int minCapacity) {
    int oldCapacity = elementData.length;
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // 新容量 = 原容量 + 原容量的一半
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

4.2 随机访问

• 通过数组的索引访问，效率高，时间复杂度为 O(1)。

4.3 插入和删除

• 插入或删除会导致后续元素的移动，时间复杂度为 O(n)。

---

5. ArrayList 的优缺点

5.1 优点

1. 随机访问效率高：支持通过索引快速访问元素。
2. 动态扩容：容量不足时自动扩展，无需手动调整。
3. 实现了丰富的操作方法：提供增删改查、排序等常用操作。

5.2 缺点

1. 插入和删除效率低：需要移动后续元素，尤其是在中间位置操作时。
2. 线程不安全：在多线程环境中需要额外同步机制。
3. 扩容成本高：扩容时需要分配新数组并拷贝旧数组的元素。

---

6. 线程安全的替代方案

6.1 Vector

• Vector 是线程安全的 ArrayList 替代方案，但由于每个方法都进行同步，性能较低。

6.2 Collections.synchronizedList

• 可以通过 Collections.synchronizedList 包装一个线程安全的 ArrayList。

import java.util.*;

public class SynchronizedListExample {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());

        list.add("A");
        list.add("B");

        synchronized (list) {
            for (String s : list) {
                System.out.println(s);
            }
        }
    }
}

6.3 CopyOnWriteArrayList

• 在多线程环境中使用 CopyOnWriteArrayList，每次写操作都会创建新的副本，适用于读多写少的场景。

---

7. 常见问题与注意事项

1. 越界异常：

   • 尝试访问不存在的索引位置会抛出 IndexOutOfBoundsException。

   list.get(10); // 若列表长度不足，抛异常
   

2. 性能问题：

   • 插入、删除操作在列表越靠后的位置，性能越高。
   • 遍历时，建议使用增强型 for 循环或迭代器。

3. 多线程环境：

   • ArrayList 是非线程安全的，多线程操作时需显式同步。

---

8. 总结

特性	描述
实现结构	动态数组，支持随机访问，扩容按 1.5 倍增长。
线程安全性	非线程安全，需要显式同步或使用线程安全的替代方案。
性能	读取效率高（O(1)），插入和删除效率低（O(n)）。
适用场景	适合需要频繁读取元素的场景，不适合高频插入或删除场景。

ArrayList 是 Java 中灵活且高效的动态数组实现，在开发中广泛应用于需要存储有序、可重复数据的场景。理解其特性和工作原理，合理使用它，能够显著提升程序的性能和可维护性。