ArrayList 可以完全替代数组吗？

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前言

大家好，我是小彭。

在前面的文章里，我们学习了很多数据结构与算法思想。在实际的业务开发中，往往不需要我们手写数据结构，而是直接使用标准库的数据结构 / 容器类。

在后续的文章里，我们将以 Java 语言为例，分析从 ArrayList 到 LinkedHashMap 等一系列标准库容器类，最后再有一篇总结回顾，请关注。

学习路线图：

1. 说一下 ArrayList 和 LinkedList 的区别？

1、数据结构： 在数据结构上，ArrayList 和 LinkedList 都是 “线性表”，都继承于 Java 的 List 接口。另外 LinkedList 还实现了 Java 的 Deque 接口，是基于链表的栈或队列，与之对应的是 ArrayDeque 基于数组的栈或队列；
2、线程安全： ArrayList 和 LinkedList 都不考虑线程同步，不保证线程安全；
3、底层实现： 在底层实现上，ArrayList 是基于动态数组的，而 LinkedList 是基于双向链表的。事实上，它们很多特性的区别都是因为底层实现不同引起的。比如说：
- 在遍历速度上： 数组是一块连续内存空间，基于局部性原理能够更好地命中 CPU 缓存行，而链表是离散的内存空间对缓存行不友好；
- 在访问速度上： 数组是一块连续内存空间，支持 O(1) 时间复杂度随机访问，而链表需要 O(n) 时间复杂度查找元素；
- 在添加和删除操作上： 如果是在数组的末尾操作只需要 O(1) 时间复杂度，但在数组中间操作需要搬运元素，所以需要 O(n)时间复杂度，而链表的删除操作本身只是修改引用指向，只需要 O(1) 时间复杂度（如果考虑查询被删除节点的时间，复杂度分析上依然是 O(n)，在工程分析上还是比数组快）；
- 额外内存消耗上： ArrayList 在数组的尾部增加了闲置位置，而 LinkedList 在节点上增加了前驱和后继指针。

2. ArrayList 源码分析

这一节，我们来分析 ArrayList 中主要流程的源码。

2.1 ArrayList 的属性

ArrayList 的属性很好理解，底层是一个 Object 数组，我要举手提问：

🙋🏻‍♀️疑问 1： 为什么 elementData 字段不声明 private 关键字？
🙋🏻‍♀️疑问 2： 为什么 elementData 字段声明 transient 关键字？
🙋🏻‍♀️疑问 3： 为什么elementData 字段不声明为泛型类型 E？
🙋🏻‍♀️疑问 4： 为什么 ArrayList 的最大容量是 Integer.MAX_VALUE，Long.MAX_VALUE 不行吗？
🙋🏻‍♀️疑问 5： 为什么 ArrayList 的最大容量是 MAX_VALUE - 8，一定会减 8 吗？

这些问题我们在分析源码的过程中回答。疑问这么多，ArrayList 瞬间不香了。

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {     // new ArrayList() 默认初始容量     private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;      // new ArrayList(0) 的全局空数组     private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};      // new ArrayList() 的全局空数组     private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};      // 修改次数记录     protected transient int modCount = 0;      // 数组的最大长度     // 疑问 4：为什么 ArrayList 的最大容量是 Integer.MAX_VALUE，Long.MAX_VALUE 不行吗？     // 疑问 5：为什么 ArrayList 的最大容量是 MAX_VALUE - 8，一定会减 8 吗？     private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8      // 疑问 1：为什么不声明 private（后文回答）     // 疑问 2：为什么声明 transient（后文回答）     // 疑问 3：为什么不声明为泛型类型 E     // 底层数组     transient Object[] elementData;      // 数组的有效长度（不是 elementData.length）     private int size;      // size() 返回的是数组的有效长度（合理，底层数组我们不关心）     public int size() {         return size;     } }

2.2 ArrayList 的构造方法

ArrayList 有三个构造函数：

1、带初始容量的构造方法： 如果初始容量大于 0，则创建指定长度的数组。如果初始容量是 0，则指向第 1 个全局空数组；EMPTY_ELEMENTDATA；
2、无参构造方法： 指向第 2 个全局空数组 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA；
3、带集合的构造方法： 将集合转为数组，如果数组为空，则指向第 1 个全局空数组 EMPTY_ELEMENTDATA；

可以看到，除了指定大于 0 的初始容量外，ArrayList 在构造时不会创建数组，而是指向全局空数组，这是懒初始化的策略。

构造器的源码不难，但小朋友总有太多的问号，举手提问 🙋🏻‍♀️：

🙋🏻‍♀️疑问 6：既然都是容量为 0 ，为什么 ArrayList 要区分出 2 个空数组？

这个问题直接回答吧：ArrayList 认为无参构造函数应该使用默认行为，在首次添加数据时会创建长度为 10（DEFAULT_CAPACITY） 的默认初始数组；而显示设置初始容量为 0 是开发者的显式意图，所以不使用默认初始数组，在首次添加数据时只会创建长度为 1 （size + 1）的数组（可以结合后文源码理解下）。

🙋🏻‍♀️疑问 7： 在带集合的构造方法中，为什么会存在集合转化后的数组类型不是 Object[].class 的情况？

// 带初始容量的构造方法 public ArrayList(int initialCapacity) {     if (initialCapacity > 0) {         // 创建 initialCapacity 长度的数组         this.elementData = new Object[initialCapacity];     } else if (initialCapacity == 0) {         // 指向第 1 个全局空数组         this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;     } else {         // 不合法的初始容量         throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+initialCapacity);     } }  // 无参构造方法 public ArrayList() {     // 指向第 1 个全局空数组     this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA; }  // 带集合的构造方法 public ArrayList(Collection<? extends E> c) {     // 将集合转为数组     elementData = c.toArray();     if ((size = elementData.length) != 0) {         // 疑问 7：这一个条件语句好奇怪，toArray() 的返回值类型就是 Object[] 啊？         if (elementData.getClass() != Object[].class)             elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);     } else {         this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;     } }  public Object[] toArray() {     return Arrays.copyOf(elementData, size); }

2.3 ArrayList 的添加与扩容方法

ArrayList 可以在数组末尾或数组中间添加元素：

如果是在数组末尾添加，均摊时间只需要 O(1) 时间复杂度；
如果在数组中间添加，由于需要搬运数据，所以需要 O(n) 时间复杂度。

添加前会先检查数据容量，不足会先扩容：

在使用无参构造器初始化时，首次添加元素时会直接扩容到 10 的容量；
在其他情况，会直接扩容到旧容量的 1.5 倍，而不是扩容到最小容量要求。

不管是扩容到 10 还是扩容到 1.5 倍，都是为了防止频繁扩容，避免每次 add 添加数据都要扩容一次。

现在，我们可以回到一些小朋友的疑问：

🙋🏻‍♀️疑问 4：为什么 ArrayList 的最大容量是 Integer.MAX_VALUE，Long.MAX_VALUE 不行吗？

本质上看，应该说是数组长度的限制，而不是 ArrayList 长度的限制。在《对象的内存分为哪几个部分？》这篇文章里，我们讨论过对象的内存布局。数组对象的长度是记录在对象头中的 “数组长度” 字段中，这个字段是 4 字节，正好就是 Integer 也是 4 个字节，所以限制为 Integer.MAX_VALUE，而不能使用 Long.MAX_VALUE。

不对啊，Java Integer 是有符号整数，所以 Integer.MAX_VALUE 只有 31 位有效位，还少了 1 位呢。没错，是少了一位。如果要榨干这 1 位容量，当然可以用 long 类型并且限制到 32 位能够表示的最大正整数上，并且在源码中到处加上数组越界判断，想想就不稳定的。相比之下，限制数组长度为 int 类型且最大长度为 Integer.MAX_VALUE，如果有超过 Integer.MAX_VALUE 存储容量的需求，那就创建两个数组呀：）你觉得哪种更好。

Java 对象内存布局

🙋🏻‍♀️疑问 5：为什么 ArrayList 的最大容量是 MAX_VALUE - 8，一定会减 8 吗？

依然与对象的内存布局有关。在 Java 虚拟机垃圾回收算法中，需要计算对象的内存大小，计算结果是存储在 jint 类型变量（Java int 类型在 JNI 中的映射）中的。如果数组的长度是 MAX_VALUE，那么加上对象头之后就整型溢出了，所以 ArrayList 会预先减掉对象头可能占用的 8 个字节。对象头的具体大小取决于虚拟机实现，减 8 是相对保守的。

其实，ArrayList 的最大容量也不一定会减 8，如果最小容量要求是超过 MAX_ARRAY_SIZE 的，那么还是会扩容到 MAX_VALUE 。这有点摆烂的意思，会不会溢出运行时再说。

数组长度溢出

OutOfMemoryError: Requested array size exceeds VM limit

🙋🏻‍♀️疑问 8：不应该是 elementData.length - minCapacity > 0 吗？ 这是考虑到整型溢出的情况，minCapacity 溢出就变成负数了。

// 在数组末尾添加元素 public boolean add(E e) {     // 先确保底层数组容量足够容纳 size + 1，不足会扩容     ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!     // 在 size + 1 的位置赋值     elementData[size++] = e;     return true; }  // 在数组中间插入元素 public void add(int index, E element) {     // 范围检查     rangeCheckForAdd(index);     // 先确保容量足够容纳 size + 1，不足会扩容     ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!     // 先搬运数据腾出空位     System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index);     // 在 index 的位置赋值     elementData[index] = element;     // 长度加一     size++; }  // 在数组末尾添加集合 public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {     // 集合转数组     Object[] a = c.toArray();     // 先确保底层数组容量足够容纳 size + numNew，不足会扩容     int numNew = a.length;     ensureCapacityInternal(size + numNew);  // Increments modCount     // 搬运原数据     System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);     // 长度加 numNew     size += numNew;     return numNew != 0; }  // 在数组中间插入集合 public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {     // 略，原理类似 }  // 尝试扩容 // （提示：源码调用了 calculateCapacity() 函数，这里做内联简化） private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {     // 使用无参构造器初始化时，指定扩容为 10      if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {         minCapacity =  Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);     }     ensureExplicitCapacity(minCapacity); }  private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {     modCount++;     // 疑问 8：不应该是 elementData.length - minCapacity > 0 吗？     // 如果底层数组长度不够 minCapacity 最小容量要求，则需要扩容     if (minCapacity - elementData.length > 0)         grow(minCapacity); }  private void grow(int minCapacity) {     // 旧容量     int oldCapacity = elementData.length;     // 新容量 = 旧容量 * 1.5 倍（有可能整型溢出）     int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);     // 如果新容量小于最小容量要求，则使用最小容量（addAll 大集合的情况）     if (newCapacity - minCapacity < 0) {         newCapacity = minCapacity;     }     // （提示：上一个 if 的 newCapacity 有可能是溢出的）     // 如果新容量超出最大数组长度限制，说明无法扩容 1.5 倍，回归到 minCapacity 上     // （提示：源码调用了 hugeCapacity() 函数，这里做内联简化）     if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0) {         // 最小容量要求发生整型溢出，无法满足要求，只能直接抛出 OOM         if (minCapacity < 0) throw new OutOfMemoryError();         // 如果最小容量要求超出最大数组长度限制，则扩容到 MAX_VALUE（说明不一定会减 8）         // 否则，扩容到最大数组长度限制（MAX_VALUE - 8）         newCapacity = (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ? Integer.MAX_VALUE : MAX_ARRAY_SIZE;     }     // 扩容到 newCapacity 长度     elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); }  private static int hugeCapacity(int minCapacity) {     // 已经内联简化到 grow 方法中 }

除了扩容之外，ArrayList 还支持缩容，将底层数组的容量缩小到实际元素的数量：

// 缩容 public void trimToSize() {     modCount++;     if (size < elementData.length) {         elementData = (size == 0) ? EMPTY_ELEMENTDATA : Arrays.copyOf(elementData, size);     } }

另外，因为扩容涉及到数据搬运操作，所以如果能事先知道数据的容量，最好在创建 ArrayList 时就显式指定数据量大小。

2.4 ArrayList 的迭代器

Java 的 foreach 是语法糖，本质上也是采用 iterator 的方式。ArrayList 提供了 2 个迭代器：

iterator():Iterator()： 单向迭代器
ListIterator listIterator()： 双向迭代器

在迭代器遍历数组的过程中，有可能出现多个线程并发修改数组的情况，造成数据不一致甚至数组越界，所以 Java 很多容器类的迭代器中都有 fail-fast 机制。

如果在迭代的过程中发现 expectedModCount 变化，说明数据被修改，此时就会提前抛出 ConcurrentModificationException 异常（当然也不一定是被其他线程修改）。

private class Itr implements Iterator<E> {     int cursor;       // index of next element to return     int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such     // 创建迭代器是会记录外部类的 modCount     int expectedModCount = modCount;     ...      Itr() {}      public boolean hasNext() {         return cursor != size;     }      @SuppressWarnings("unchecked")     public E next() {         // 检查         checkForComodification();         ...     }      public void remove() {         ...         // 更新         expectedModCount = modCount;     } }

🙋🏻‍♀️疑问 1：为什么 elementData 字段不声明 private 关键字？

在注释中的解释是：“non-private to simplify nested class access”。但我们知道在 Java 中，内部类是可以访问外部类的 private 变量的，所以这就说不通的。我的理解是：因为内部类在编译后会生成独立的 Class 文件，如果外部类的 elementData 字段是 private 类型，那么编译器就需要在 ArrayList 中插入 getter / setter，并通过方法调用，而 non-private 字段就可以直接访问字段。

2.5 ArrayList 的序列化过程

🙋🏻‍♀️疑问 2：为什么 elementData 字段声明 transient 关键字？

ArrayList 重写了 JDK 序列化的逻辑，只把 elementData 数组中有效元素的部分序列化，而不会序列化整个数组。

// 序列化和反序列化只考虑有效元素 private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s) throws java.io.IOException{     // Write out element count, and any hidden stuff     int expectedModCount = modCount;     s.defaultWriteObject();      // 写入数组长度     s.writeInt(size);      // 写入有效元素     for (int i=0; i<size; i++) {         s.writeObject(elementData[i]);     }      if (modCount != expectedModCount) {         throw new ConcurrentModificationException();     } }

2.6 ArrayList 的 clone() 过程

ArrayList 中的 elementData 数组是引用类型，因此在 clone() 中需要实现深拷贝，否则原对象与克隆对象会相互影响：

public Object clone() {     try {         ArrayList<?> v = (ArrayList<?>) super.clone();         // 拷贝数组对象         v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);         // 修改计数归零         v.modCount = 0;         return v;     } catch (CloneNotSupportedException e) {         // this shouldn't happen, since we are Cloneable         throw new InternalError(e);     } }

2.7 为什么阿里巴巴要求谨慎使用 subList API？

在《阿里巴巴 Java 开发手册》中，有关于 ArrayList#subList API 的规定。为什么阿里巴巴要做这样的限制呢？

【强制】ArrayList 的 subList 结果不可强转成 ArrayList，否则会抛出 ClassCastException 异常；
【强制】在 subList 场景中，高度注意对原集合元素的增加或删除，均会导致子列表的遍历、增加、删除产生 ConcurrentModificationException 异常。

这是因为 subList API 只是提供通过起始索引 fromIndex 和终止索引 toIndex 包装了一个原 ArrayList 的 “视图窗口” ，并不是真的截取并创建了一个新的 ArrayList，所以强制类型转换就会抛出 ClassCastException 异常。

此时，在 ArrayList 或 SubList 上做修改，要注意相互之间的影响：

在 ArrayList 或 SubList 上修改元素，都会同步更新到对方（因为底层都是 ArrayList 本身）；
在 SubList 上增加或删除元素，会影响到 ArrayList；
在 ArrayList 上增加或删除元素，会导致 SubList 抛出 ConcurrentModificationException 异常。

ArrayList.java

public List<E> subList(int fromIndex, int toIndex) {     subListRangeCheck(fromIndex, toIndex, size);     return new SubList(this, 0, fromIndex, toIndex); }  private class SubList extends AbstractList<E> implements RandomAccess {     // 原 ArrayList     private final AbstractList<E> parent;     private final int parentOffset;     private final int offset;     int size;      SubList(AbstractList<E> parent, int offset, int fromIndex, int toIndex) {         this.parent = parent;         this.parentOffset = fromIndex;         this.offset = offset + fromIndex;         this.size = toIndex - fromIndex;         // modCount 记录         this.modCount = ArrayList.this.modCount;     }      public E set(int index, E e) {         rangeCheck(index);         // 在 ArrayList 上增加或删除元素，会导致 SubList 抛出 ConcurrentModificationException 异常         checkForComodification();         // 在 SubList 上增加或删除元素，会影响到 ArrayList；         E oldValue = ArrayList.this.elementData(offset + index);         ArrayList.this.elementData[offset + index] = e;         return oldValue;     } }

2.8 ArrayList 如何实现线程安全？

有 4 种方式：

方法 1 - 使用 Vector 容器： Vector 是线程安全版本的数组容器，它会在所有方法上增加 synchronized 关键字；
方法 2 - 使用 Collections.synchronizedList 包装类： 原理也是在所有方法上增加 synchronized 关键字；
方法 3 - 使用 CopyOnWriteArrayList 容器： 基于加锁的 “读写分离” 和 “写时复制” 实现的动态数组，适合于读多写少，数据量不大的场景。
方法 4 - 使用 ArrayBlockingQueue 容器： 基于加锁的阻塞队列，适合于带阻塞操作的生产者消费者模型。

提示： 关于 CopyOnWriteArrayList 的更多内容，去看看专栏文章《CopyOnWriteArrayList 是如何保证线程安全的？》

3. Arrays#ArrayList：世界上的另一个我

事实上，在 Java 环境中有两个 ArrayList，这或许是一个隐藏的彩蛋（坑）：

ArrayList： 一般认为的 ArrayList，是一个顶级类；
Arrays#ArrayList： Arrays 的静态内部类，和上面这个 ArrayList 没有任何关系。

其实，Arrays#ArrayList 的定位就是在数组和和 List 直接切换而已。Arrays 提供了数组转 List 的 API，而 Arrays#ArrayList 也提供了 List 转数组的 API（这些 API 第一个 ArrayList 中也都有…）

回过头看剩下的 2 个问题：

🙋🏻‍♀️疑问 3：为什么 elementData 字段不声明为泛型类型 E？

泛型擦除后等于 Object[] elementData，没有区别。

🙋🏻‍♀️疑问 7：在带集合的构造方法中，为什么会存在集合转化后的数组类型不是 Object[].class 的情况？

这是因为有些 List 集合的底层数组不是 Object[] 类型，有可能是 String[] 类型。而在 ArrayList#toArray() 方法中，返回值的类型是 Object[] 类型，有类型错误风险。

例如：在这段代码中，ArrayList 接收一个由 String 数组转化的 List，最后在 ArrayList#toArray() 返回的 Object 数组中添加一个 Object 对象，就出现异常了：

示例代码

// 假设没有特殊处理 List<String> list = new ArrayList<>(Arrays.asList("list")); // class java.util.ArrayList System.out.println(list.getClass());  Object[] listArray = list.toArray(); // 如果过没有特殊处理，实际类型是 [Ljava.lang System.out.println(listArray.getClass()); // 如果过没有特殊处理，将抛出 ArrayStoreException 异常 listArray[0] = new Object();

源码摘要：

Arrays.java

public static <T> List<T> asList(T... a) {     return new ArrayList<>(a); }  private static class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements RandomAccess, java.io.Serializable {     // 泛型擦除后：Object[] a;     private final E[] a;      // 泛型擦除后：Object[] array;     // Java 数组是协变的，能够接收 String[] 类型的数组     ArrayList(E[] array) {         // 赋值         a = Objects.requireNonNull(array);     }      // 实际返回的数组可能是 Object[] 类型，也可能是 String[] 类型     @Override     public Object[] toArray() {         return a.clone();     } }

ArrayList.java

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable     transient Object[] elementData;      // 带集合的构造方法     public ArrayList(Collection<? extends E> c) {         // 将集合转为数组         elementData = c.toArray();         if ((size = elementData.length) != 0) {             // 疑问 7：这一个条件语句好奇怪，toArray() 的返回值类型就是 Object[] 啊？             if (elementData.getClass() != Object[].class)                 elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);         } else {             this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;         }     }      public Object[] toArray() {         return Arrays.copyOf(elementData, size);     } }

4. ArrayList 这么好用，可以完全替代数组吗？

大多数场景可以，但不能完全替代。

ArrayList 是基于 Object 数组封装的动态数组，我们不需要关心底层数组的数据搬运和扩容等逻辑，因此在大多数业务开发场景中，除非是为了最求极致的性能，否则直接使用 ArrayList 代替数组是更好的选择。

那么，ArrayList 有哪些地方上比数组差呢？

举例 1 - ArrayList 等容器类不支持 int 等基本数据类型，所以必然存在装箱拆箱操作；
举例 2 - ArrayList 默认的扩容逻辑是会扩大到原容量的 1.5 倍，在大数据量的场景中，这样的扩容逻辑是否多余，需要打上问题；
举例 3 - ArrayList 的灵活性不够。ArrayList 不允许底层数据有空洞，所有的有效数据都会 “压缩” 到底层数组的首部。因此，当需要基于数组二次开发容器时，ArrayList 并不是一个好选择。
- 例如，使用 ArrayList 开发栈的结构或许合适，可以在数组的尾部操作数据。但使用 ArrayList 开发队列就不合适，因为在数组的首部入队或出队需要搬运数据；
- 而数组没有这些约束，我们可以将数组设计为 “环形数组”，就可以避免入队和出队时搬运数据。例如 Java 的 ArrayBlockingQueue 和 ArrayDeque 就是基于数组的队列。