JavaArrayList底层原理深度解析

Java ArrayList看似简单，实则暗藏诸多性能与线程安全陷阱：它底层基于固定长度的Object[]数组（默认容量10），非链表也非哈希结构，支持null和重复元素，随机访问极快（O(1)），但增删操作平均为O(n)，尤其在中间插入或删除时需大量数据迁移；扩容采用1.5倍策略，虽避免频繁分配却带来内存浪费，且不会自动压缩空间；更关键的是——它完全线程不安全，复合操作易出错，fail-fast机制仅用于检测并发修改而非保障安全。掌握这些底层细节，才能避开扩容抖动、遍历漏删、并发丢失等高频坑点，写出真正健壮高效的代码。

ArrayList底层用Object[]数组存储元素

它不是链表，也不是哈希结构，就是一个普通的Object[]数组，初始化时默认长度是10（JDK 8），所有元素都存在这个数组里，按插入顺序连续存放。

常见错误是以为ArrayList能自动“压缩”空间——其实不会。即使调用remove()删掉中间元素，数组空位依然存在，只是后续元素前移覆盖；只有显式调用trimToSize()才会真正缩小内部数组容量。

• add(E e)时若数组已满，会触发扩容：新容量 = 旧容量 × 1.5（即oldCapacity + (oldCapacity >> 1)）
• 扩容是通过Arrays.copyOf()创建新数组并复制，有性能开销，频繁添加建议预设初始容量
• 允许存null，也支持重复元素，这点和HashSet完全不同

get(int index)和set(int index, E element)是O(1)随机访问

因为底层是数组，所以根据下标直接计算内存偏移量，不遍历、不查找，只要index在合法范围内（0 ≤ index ），就能瞬间拿到或替换元素。

但要注意：如果传入越界下标，会抛IndexOutOfBoundsException，不是NullPointerException，也不是静默失败。

• get(5)不会检查对应位置是否为null，只检查索引是否越界
• set(3, "new")要求索引必须已存在（即size > 3），不能用于“扩展”数组
• 想在末尾外插入？得用add(index, element)，但那是O(n)操作，会移动后续所有元素

add()和remove()涉及数组复制，时间复杂度不是常数

在末尾添加（add(E)）平均是O(1)，但触发扩容时是O(n)；在中间或开头增删（add(int, E)或remove(int)）一定是O(n)，因为要调用System.arraycopy()移动数据。

典型误用场景：用for (int i = 0; i 配合remove(i)遍历删除——会导致漏删，因为每次删除后后续元素前移，下标对不上。

• 安全删除全部匹配项，用Iterator.remove()或removeIf()
• 批量插入多个元素，比反复调用add()更高效的方式是先收集到另一个集合，再用addAll()
• remove(Object)是按值查找删除第一个匹配项，需遍历，最坏O(n)；而remove(int)是按索引，不查值

线程不安全，多线程写入必须额外同步

它的所有方法都没有内置锁，add()、remove()、甚至size()都不是原子操作。两个线程同时add()可能造成数组越界、元素丢失或size错乱。

别用Collections.synchronizedList(new ArrayList())就以为万事大吉——它只保证单个方法原子，复合操作（如“检查是否存在再添加”）仍需手动加锁。

• 高并发读多写少？考虑CopyOnWriteArrayList，但注意写操作代价极高
• 纯并发计数/累加？优先用ConcurrentHashMap或LongAdder，别硬套ArrayList
• 迭代过程中修改会触发ConcurrentModificationException，这是fail-fast机制，不是线程安全的保障

实际写代码时，最容易被忽略的是扩容边界和并发组合操作——前者影响性能抖动，后者导致偶发Bug，很难复现。

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