如何自定义ArrayList：深入理解Java ArrayList的底层原理

ArrayList是Java集合框架中的一个重要类，它实现了一个可变大小的数组。尽管ArrayList的使用非常简单，但理解其底层实现对优化和调试代码有着重要意义。本文将通过编写一个自定义的ArrayList，帮助你深入理解ArrayList的底层原理。

什么是ArrayList？

ArrayList是Java集合框架中的一个类，它提供了动态数组的功能。与传统的数组不同，ArrayList可以在运行时动态调整其大小。ArrayList继承自AbstractList，并实现了List接口。

ArrayList的底层实现原理

底层数据结构

ArrayList底层是基于一个动态扩展的数组来实现的。当添加元素时，如果数组已满，ArrayList会创建一个新的、更大的数组，并将旧数组中的元素复制到新数组中。

自动扩展

ArrayList的扩展机制是其核心之一。默认情况下，当ArrayList的容量不足以容纳新元素时，它会将当前容量扩大1.5倍（即扩大50%）。这种扩展机制可以有效减少数组复制操作的次数，提高性能。

访问和修改

ArrayList通过索引访问和修改元素的时间复杂度为O(1)，这是因为它底层是一个数组，可以直接通过索引定位元素。

自定义ArrayList的实现

以下是一个自定义ArrayList的示例代码，帮助你理解其底层原理。

自定义ArrayList类

import java.util.Arrays;public class CustomArrayList<E> {private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;private int size = 0;private Object[] elements;public CustomArrayList() {elements = new Object[DEFAULT_CAPACITY];}// 添加元素public void add(E e) {if (size == elements.length) {ensureCapacity();}elements[size++] = e;}// 获取元素@SuppressWarnings("unchecked")public E get(int index) {if (index >= size || index < 0) {throw new IndexOutOfBoundsException("Index: " + index + ", Size: " + size);}return (E) elements[index];}// 确保容量private void ensureCapacity() {int newSize = elements.length * 3 / 2 + 1;elements = Arrays.copyOf(elements, newSize);}// 获取大小public int size() {return size;}// 删除元素public E remove(int index) {if (index >= size || index < 0) {throw new IndexOutOfBoundsException("Index: " + index + ", Size: " + size);}@SuppressWarnings("unchecked")E oldValue = (E) elements[index];int numMoved = size - index - 1;if (numMoved > 0) {System.arraycopy(elements, index + 1, elements, index, numMoved);}elements[--size] = null; // clear to let GC do its workreturn oldValue;}
}

测试自定义ArrayList

public class CustomArrayListTest {public static void main(String[] args) {CustomArrayList<String> list = new CustomArrayList<>();list.add("Apple");list.add("Banana");list.add("Orange");System.out.println("Element at index 1: " + list.get(1));System.out.println("Size of list: " + list.size());list.remove(1);System.out.println("Element at index 1 after removal: " + list.get(1));System.out.println("Size of list after removal: " + list.size());}
}

详细讲解自定义ArrayList的各个部分

构造函数

构造函数初始化了一个默认容量为10的数组。

public CustomArrayList() {elements = new Object[DEFAULT_CAPACITY];
}

添加元素

添加元素时，首先检查数组是否已满，如果已满，则调用ensureCapacity()方法扩展数组。

public void add(E e) {if (size == elements.length) {ensureCapacity();}elements[size++] = e;
}

获取元素

通过索引获取元素，并进行边界检查。

@SuppressWarnings("unchecked")
public E get(int index) {if (index >= size || index < 0) {throw new IndexOutOfBoundsException("Index: " + index + ", Size: " + size);}return (E) elements[index];
}

确保容量

扩展数组容量，新的容量为当前容量的1.5倍。

private void ensureCapacity() {int newSize = elements.length * 3 / 2 + 1;elements = Arrays.copyOf(elements, newSize);
}

删除元素

删除元素时，通过System.arraycopy方法将后续元素向前移动一位，并将最后一个元素置为null以便垃圾回收。

public E remove(int index) {if (index >= size || index < 0) {throw new IndexOutOfBoundsException("Index: " + index + ", Size: " + size);}@SuppressWarnings("unchecked")E oldValue = (E) elements[index];int numMoved = size - index - 1;if (numMoved > 0) {System.arraycopy(elements, index + 1, elements, index, numMoved);}elements[--size] = null; // clear to let GC do its workreturn oldValue;
}