ArrayList类的底层实现

ArrayList类的断点调试

空参构造的分步骤演示（重要）

带参构造的分步骤演示

一、前言

大家好，本篇博文是对单列集合List的实现类ArrayList的内容补充。之前在List集合的万字详解篇，我们只是拿ArrayList演示了List接口中的常用方法，并没有对它进行深究。但这正是我们今天要做的内容。
up会利用断点调试（Debug）来一步一步地给大家剖析ArrayList底层的扩容机制到底是如何实现的。空参构造和带参构造初始化ArrayList对象up都会演示到。但是，重点是空参构造器构造ArrayList对象后，底层扩容机制的详细实现。
注意 : ①解读源码需要扎实的基础，比较适合希望深究的同学； ②不要眼高手低，看会了不代表你会了，自己能全程Debug下来才算有收获； ③点击文章的侧边栏目录或者前面的目录可以进行跳转。 ④本篇博文对ArrayList源码的解读基于JDK17.0的版本，虽然不是主流的JDK8.0，但是经过对比不难发现其底层原理大同小异，所以，就算你用的不是高版本的JDK，本文也对打牢你的基础有一定帮助。良工不示人以朴。感谢阅读！

二、ArrayList类的底层实现

1.ArrayList类在底层是由数组来实现的，ArrayList类源码中维护了一个Object类型的数组elementData，用于存储ArrayList集合中的元素。

关于transient关键字，transient本身是转瞬即逝的意思，如下 :

被transient关键字修饰的程序元素不可被序列化。

2.当我们使用空参构造来创建ArrayList类对象时，则elementData数组的初始容量为0，第一次添加元素时，将该数组扩容为10，如需再次扩容，则将elementData数组的当前容量扩容为1.5倍。

3.如果使用指定数组初始容量大小的带参构造来创建ArrayList类对象，则elementData数组的初始容量即为传入形参的指定容量，如果需要扩容，则直接将该数组当前容量扩容至1.5倍。

三、ArrayList类的断点调试

0.准备工作 :

up以一下代码为演示，来进行Debug操作，(分别在第13行和第20行设置断点），代码如下 :

package csdn.knowledge.api_tools.gather.list;

import java.util.ArrayList;

/**
 * @author : Cyan_RA9
 * @version : 21.0
 */
public class ArrayList_Demo {
    public static void main(String[] args) {
    //演示 : Debug ArrayList空参构造，以及数组扩容的全流程。
        //1.通过空参构造创建一个ArrayList类对象
        ArrayList arrayList = new ArrayList();
        System.out.println("使用空参构造创建的集合对象 = " + arrayList);

        //2.利用for循环向集合对象中添加10个元素。（0~9）
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            arrayList.add(i);   //此处有自动装箱
        }
        System.out.println("添加十个元素后，当前集合 = " + arrayList);

        //3.如果按照我们的理论，在向集合对象中添加第11个元素时，底层的数组需要扩容。（1.5倍）
        arrayList.add("这是集合的第十一个元素捏.");
        arrayList.add("这是集合的第十二个元素捏.");
        arrayList.add("这是集合的第十三个元素捏.");
        arrayList.add("这是集合的第十四个元素捏.");
        arrayList.add("这是集合的第十五个元素捏.");

        //4.再次测试ArrayList类底层数组的扩容机制。    （10 ---> 15 ---> 22）
        arrayList.add("这是集合的第十六个元素捏.");
        System.out.println("添加十六个元素后，当前集合 = " + arrayList);
    }
}

1.空参构造——分步骤Debug（详细阐释）（重要）

0°开始Debug。

首先，我们进入Debug界面，并在无参构造调用行（此处为第13行），跳入ArrayList类无参构造，如下GIF图所示 :

1°初始化底层elementData数组为空数组。

跳入ArrayList无参构造，我们可以看到，它将用于存储集合元素的elementData数组进行了初始化。等号后面的这一大堆直译过来就是 "默认容量空的elementData数组" ，可以根据Ctrl + b/B查看ArrayList中该常量的源码，如下 :

可以看到，这个所谓的 "默认容量空的elementData数组" 确实名副其实，真是一个空数组，而且与ArrayList中用于存储集合元素的elementData数组一样都是Object类型。

接下来，我们跳出这个无参构造，进入for循环，并跳入第一个元素的add方法。

2°对add方法中的实参进行自动装箱。

第一次跳入add方法，会跳到valueOf方法中，对要添加的int类型进行装箱操作。如下图所示 :

我们不用管他，直接选择跳出，并准备第二次跳入add方法。

第一次跳出add方法后，该行代码仍然标注着高亮，表示此行代码还未执行完毕。我们第二次跳入add方法。

3°进入add方法底层。

第二次跳入add方法，我们来到了真的"add"方法，如下 :

其中，形参列表的"e"代表了你要添加的元素，根据我们上面给出的代码，for循环要向集合对象中添加0~9这十个元素，这是for循环第一次循环，要添加元素0，因此可以看到，此时 e = 0。

modCount属性用于保存你修改集合的次数,用来防止有多个线程修改它，多个线程修改时会抛出异常，这里我们不用管它。

可以看到，跳入的add方法中，还调用了一个形参列表不一样的"add"方法，我们暂时将这个"add方法中的add方法"称为内层add方法，内层add方法传入了三个形参，分别是"当前要添加的元素（此时e = 0），"初始化后的空数组elementData", 以及"当前集合中的元素个数size"。显然，内层add方法更加底层，当然，我们要追进去看看。

4°进入grow方法。

更底层的add方法（内层add方法），如下 :

可以看到，内层add方法中首先是一个if条件语句的判断，if条件语句结束后，才将e（当前e = 0）添加到了elementData数组中，并且为size属性 + 1（集合中的元素个数从0 --> 1，多了1个）。

但是，要知道我们的elementData数组之前可是初始化为了一个空数组阿，是啥都放不下的。显然，它在if条件语句中被动了手脚。我们来仔细看看这个if条件语句，判断条件是"当前集合中的元素个数是否等于数组的大小(长度)", 啥意思呢？就是说咱们现在不是正要向集合中添加元素么——（前面我们也看了，向ArrayList集合中添加元素，底层其实就是向ArrayList类中的elementData数组中添加元素）——如果判断条件成立，说明当前集合的元素个数与底层elementData数组的大小相等，也就是说数组已经满了，再想添加元素就要扩容🌶！

我们再回到实际，因为我们正在添加第一个元素，所以目前集合中元素的个数 = 0；底层数组为空，所以目前数组的大小 = 0，0 = 0，满足判断条件。所以，肯定要进入这个grow方法。grow方法，见名知意，就是对数组进行扩容的方法。"elementData = grow();"，显然grow方法最终是返回一个Object类型的数组，这样才能赋值给elementData数组（其实就是更改了elementData的引用）。我们也是一路高歌，继续跳入grow方法中看看是咋回事。如下图所示 :

果然，grow方法返回了一个Object类型的数组。不过比较操蛋的是grow方法与前面的add方法类似，都™长了层包皮，没关系，我们继续追进去看看。（注意 : 既然外层的grow方法是返回Object类型的数组，说明return后面的grow方法肯定要是返回一个Object类型的数组。不过，内层的grow方法传入了一个形参是size + 1，size表示当前集合中元素的个数，第一个元素还没加进去，所以size + 1 = 0 + 1 = 1.)

5°进入grow方法底层。

内层的grow方法如下图所示 :

是不是傻眼了😂？什么玩意儿！别急，不要因为走得太远而忘记了我们为什么出发。我们一路追追追，只有一个目的——elementData数组目前为空，要添加第一个元素0进入，必须先扩容，而内层grow方法要返回一个Object类型的数组。所以，现在我们就找内层grow方法中有扩容操作的代码就行，别的暂时不看！

可以看到，首先第一条语句，是把当前数组的长度（0）赋值给了oldCapacity变量，这条语句有啥用呢，我们暂时不管。继续往下看，有一个if-else的多重条件语句，判断条件是"当前数组的长度是否大于0，或当前数组是否不为空"，显然，elementData数组目前还是个空呢，两个条件均不满足，于是if语句中的内容现在不执行，直接跳到else语句。

else语句中，注意观察，出现了return语句！显然，这里很可能就是返回Object类型数组的地方。我们来看看是不是。

返回的Object数组的长度，是调用Math类的max函数的返回值，我们之前在常用类中讲过Math类，max函数可以返回两个数中的较大值。第一个数"DEFAULT_CAPACITY"，直译过来就是"默认的容量"，其实不用我说你们也能猜出来，和我们一开始初始化elementData数组时遇到的那"一大堆"一个拉撒，一丘之貉，这里也不追进去看了，但是注意，当我们鼠标悬停在这个常量上面是，会显式它的值 = 10；第二个数是minCapacity（最小容量），这个变量是哪里来的呢？欸，你往上翻翻看，不就是内层grow函数的形参么！那这个形参是哪儿来的呢？欸，瞧你这记性，翻到上面外层grow函数，可以看到当时我们传入的是(size + 1)，即0 + 1, 等于 1。minCapacity表示——要把该元素添加进去，所需数组的最小长度，我们这才添加第一个元素阿，那minCapacity当然是1了。那两个数中，显然10 > 1，内层grow函数最终返回的就是"new Object[10]"。

6°逐层返回，第一次扩容elementData数组完毕（0 ——> 10）。

然后，内层grow函数执行完毕，返回外层grow函数，如下 :

然后，再返回内层add函数，如下 :

接着，内层add函数中，if条件语句中的方法将要执行完毕。

可以看到，右上角的提示信息中，已经由原来的"Object[0]" 变成了"Object[10]"，这也可以验证我们上文"ArrayList类的底层实现"中提到的——当我们使用空参构造来创建ArrayList类对象时，则elementData数组的初始容量为0，第一次添加元素时，将该数组扩容为10。

接着往下执行，可以看到第一个元素0已经被添加进了elementData数组，如下图所示 :

内层add函数执行完毕，返回外层add函数，如下 :

可以看到，size（当前集合中元素的个数）已经由0变成了1，说明我们添加成功了。接着返回到我们的测试类中，如下 :

7°向集合添加第二个元素（不需要扩容）。

第一次扩容完成后，elementData数组的长度由0扩到了10，因此，for循环中后续几个元素的添加都不再需要扩容。以第二个元素的添加为例，up再来带大家过一遍，加深印象，当然，这次主要是体验一下流程，不会像第一次一样那么细了。

如下图所示，随着循环变量i的自增，for的第一次循环顺利结束，第二次循环开始，向集合中添加第二个元素1 :

可以看到，首先还是老规矩，先将int类型的数据1做了装箱处理。

接着，我们再次跳入外层add方法，如下图所示 :

注意看右上角，e（即我们要添加的元素）已经是1了，因为代码里的for循环中，就是要向集合添加0~9这十个元素，现在是第二个元素1。继续往下执行，我们跳入内层add方法，如下图所示 :

首先注意看右上角，s变量（当前集合中的元素个数）变成了1，因为我们之前已经添加过1个元素了么。执行内层add方法，if条件判断语句中，当前集合中元素的个数显然小于elementData数组的长度(1 < 10)，因此不进入grow方法，而是直接将第二个元素放入elementData数组中索引为1的位置，同时再对size变量进行加1操作。如下图所示 :

可以看到，第二个元素也已经成功添加到了elementData数组中，而且size变量也变成了2。

之后，依然是先跳出内层add方法，再跳出外层add方法，一直跳回去，如下GIF所示 :

8°将集合中的元素添加到10个元素。（第一个临界点）

之后的8次循环均与第二次循环相同，我们直接一笔带过，如下GIF图所示 :

9°集合的第二次扩容开始。

因为第一次对elementData数组扩容，默认只从0扩到了10。而for循环结束后，我们已经向集合对象中添加了十个元素，即ArrayList底层的elementData数组已被装满。现在我们想添加第十一个元素，就需要对elementData数组进行第二次扩容了。

我们还是先跳入add方法，看看会发生什么，如下图所示 :

可以看到，由于从第十一个元素开始，均为String类型，因此不需要"装箱"的操作，而是直接跳到了外层add方法。同样地，我们继续跳入内层add方法，如下图所示 :

注意看内层add方法中的if条件语句，IDEA已经给出了提示" = true"，没错，当前集合中已有的元素个数s = 10，而当前elementData数组的长度 = 10，10 = 10，满足判断条件。因此这时候要第二次进入grow方法对数组进行扩容了。好，我们跳入外层grow方法，如下图所示 :

注意看这时内层grow方法的实参，minCapacity : size + 1，即要想把第十一个元素放入集合中，所需集合的最小容量是size + 1 = 11，即所需elementData数组的最小长度是11。好的，接下来我们跳入内层grow方法，如下 :

仍然是先将当前elementData数组的长度(10)赋值给了oldCapacity变量；接着，if条件语句，判断条件是"当前数组的长度是否大于0，或当前数组是否不为空"，与我们第一次扩容不同，第一次是从0 ——> 10，现在elementData数组已经不为空了。因此，可以看到IDEA也是再次给出了提示" = true"。

接着往下走，if语句体中，我们发现它由两部分构成。

首先，第一部分，是一个newCapacity局部变量的定义，见名知意，显然它代表了我们内层grow方法要返回的新数组的长度。而为newCapacity赋值的是另一个底层方法newLength，我们先不管它，继续往下看。

第二部分，是一个return语句，显然，这个return语句中要返回扩容后的Object类型的新数组。

好的，框架清晰后，我们再看细节。既然第一部分要获取扩容后新数组的长度，那么显然我们是要追进去这个底层方法看看的。但是，进去之前，我们不妨先来看看它的形参列表，一共传入了三个数——①当前数组的长度；②所需新数组的最小长度 - 就数组长度（= 数组的最小增长量)；③旧数组右移1位。这里稍微说一下这个"oldCapacity >> 1"是什么意思，其实涉及到了C语言的一些基础——位运算。这里面涉及到了二进制的知识，当然我们也就废话少说，直接告诉你结论："<<"表示左移，每左移1位相当于*2；">>"表示右移，每右移一位相当于/2。那么此处的"oldCapacity >> 1"就表示将旧数组的长度的值(10)右移一位，相当于10 / 2，= 5。因此，此处调用的newLength方法的实参就分别为①10；②1；③5。

OK，搞清楚这些后，我们追进去newLength方法一探究竟，如下图所示 :

可以看到，newLength方法内部的结构还是比较清晰的 : 一个变量的赋值语句，一个if-else的复合条件语句。我们一个一个来看。

首先，"prefLength"，直译过来就是"预设长度"的意思，见名知意，显然它和我们新数组的长度关系密切。继续看代码，为prefLength赋值的是"旧数组的长度 + 数组最小增长量和prefGrowth之间的最大值"。这个prefGrowth不知道大家能不能想到，前面我们传入三个实参的时候，第三个实参不是"oldCapacity >> 1"吗？欸，就是它！我们也可以将鼠标悬停在它上面，IDEA会显示出它的值，如下图所示 :

可以看到，确实 = 5，和我们前面推理的一致。而minGrowth和prefGrowth一个1，一个5，肯定5大呀。所以，最终赋值给prefLength的值 = 10 + 5 = 15。欸，有没有发现，正好验证了我们前文中所提到的——当我们使用空参构造来创建ArrayList类对象时，如需再次扩容，则将elementData数组的当前容量扩容为1.5倍。估计到这里大家也能理解为什么是1.5倍了，就和前面那个位运算">> 1"有关，本身再加上它的一半，可不是1.5倍么。

继续往下执行，if条件语句中，要判断新数组的长度是否合法，要满足大于0并且小于一个"一大堆"的玩意儿。我们还是将鼠标悬停在那"一大堆"上，看看它的值是多少，如下所示 :

哎呀我去，行了，不用看了，咱就一个测试的数组，能跑那么大吗？

🆗，newLength方法结束，返回内层grow方法。如下图所示 :

还是那句话，不要因为走得太远而忘记了我们为什么出发。newLength方法只是为了获取新数组的长度，我们也进去看了，也知道是个啥了，就是旧数组的1.5倍。最后返回新数组，还是内层grow方法来完成。

此处用到了Arrays的copyOf方法。copyOf方法大家不用深究，只需要知道它的功能是将原数组中指定长度的内容拷贝到新数组中，并且，若指定的长度大于原数组长度，则多出来的部分以默认值填充，最终返回的是新数组。使用该方法扩容数组，可以在保留原数组中内容的同时，又达到扩容的目的。此时，我们新数组的长度15显然大于原数组长度10，因此我们猜测，最后返回的数组的效果就是[0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, null, null, null, null, null]。（第11个元素未加入前）

我们接着Debug，跳出内层grow方法，如下所示 :

接着再跳出外层grow方法，如下 :

在内层add方法中，我们继续执行，如下如所示 :

可以看到，扩容后elementData数组的情况与我们预测的一模一样。多出的4个元素均以默认值null取代了。而且，当前集合中元素的个数也从10变成了11。

10°集合的第二次扩容结束。

接着，我们跳出内层add方法，一直跳到演示类的代码中，如下GIF所示 :

11°将集合中的元素添加到15个。（第二个临界点）

之后的第12到第15个元素的添加，与第十一个元素的添加大同小异，只不过在内层的add方法中，我们不再进入grow方法（即数组不需要扩容），而是直接将元素添加到elementData数组中。因此，接下来4个元素的添加，我们一笔带过（有兴趣的小伙伴儿可以自己下去Debug一下），如下GIF演示图 :

12°集合的第三次扩容开始。

第二次扩容结束后，底层的elementData数组由10扩容到了15。而经过我们的一通操作过后，elementData数组又满了。现在我们想向集合中添加第16个元素，就要进行集合的第三次扩容。从第二次扩容开始，之后的每次扩容在底层都与第二次扩容原理一样，并且每次都扩容到当前集合容量的1.5倍。

好的，同样地，我们先跳入外层add方法。如下 :

接着，再跳入内层add方法。如下 :

可以看到，if条件语句的判断中，又提示" = true"了，因此，我们还要再跳入外层grow方法中。如下 :

显式当前集合中元素的个数为size = 15。继续跳入内层grow方法 :

内层for循环中if语句的判断条件也为true。继续跳入newLength方法 :

可以看到，新数组的预设长度是22，恰好等于15 + 15 / 2 = 22，也再次印证我们之前的结论——扩容到1.5倍。

13°集合的第三次扩容结束。

好滴，接着我们再逐层返回，一直跳回到内层add方法中，如下GIF图所示 :

继续执行内层add方法中的代码，如下图所示 :

可以看到，elementData数组的长度成功地由15扩容到了22。

接下来，我们逐层返回，一直返回到演示类中，如下GIF图所示 :

🆗，无参构造的分步骤Debug演示，就到这里结束了。相信只要你把这一套流程吃透，自己可以Debug下来。那么其他情况下的扩容流程你也可以轻松举一反三了。

3.带参构造——分步骤Debug（详细阐释）

0°前言 :

如果利用带参构造来初始化ArrayList对象，那么它底层的扩容机制，其实与无参构造初始化ArrayList对象时大同小异。唯一不同的一点在于，使用带参构造初始化ArrayList对象，底层的elementData数组在一开始不会置空，而是将其初始化为调用带参构造时中实参指定的长度。之后的扩容流程与空参构造初始化对象时无异。因此，up这里就不会像之前空参构造时演示得那么细了。

up以ArrayList_Demo2为例，代码如下 : （13行和22行设置断点）

package csdn.knowledge.api_tools.gather.list;

import java.util.ArrayList;

/**
 * @author : Cyan_RA9
 * @version : 21.0
 */
public class ArrayList_Demo2 {
    public static void main(String[] args) {
    //演示 : 测试通过带参构造初始化ArrayList集合时，其底层的数组扩容机制。
        //1.创建ArrayList集合对象
        ArrayList arrayList = new ArrayList(4);
        System.out.println("刚创建的集合 = " + arrayList);

        //2.向集合中添加元素（先来4个）
        for (int i = 0; i < 4; i++) {
            arrayList.add(i);       //此处涉及到了自动装箱。
        }

        //3.再次向集合中添加元素。（扩容：4 ——> 6）
        arrayList.add("这是第五个元素捏");
        arrayList.add("这是第六个元素捏");
        System.out.println("添加六个元素后，集合 = " + arrayList);

        //4.再次向集合中添加元素。（扩容：6 ——> 9）
        arrayList.add("这是第七个元素捏");
        System.out.println("添加七个元素后，集合 = " + arrayList);
    }
}

1°开始Debug。

如下图所示，进入Debug界面：

2°集合的第一次扩容（初始化）。

接着，我们跳入ArrayList的带参构造，如下图所示 :

可以看到，elementData数组被初始化为了长度为4的数组，4正是我们调用带参构造时指定的长度。其实，可以看到ArrayList类的该带参构造是一个if-else if-else的符合条件语句。因为我们指定的长度4 > 0，所以它直接进入if控制的语句中，即将一个长度为4的新数组赋值给了elementData数组（其实就是改变了elementData引用的指向）。如果带参构造传入的实参为0，它就会当作空参构造来执行。如果 < 0，就会抛出一个异常对象。

接着，我们跳出带参构造。如下图所示 :

注意，我们可以看到底层的elementData数组已经被初始化为4的长度。

3°向集合中添加第一个元素。

继续Debug，跳入for循环的add方法。同之前一样，这里我们要添加int类型的数据进入几何，底层会有装箱的过程，我们直接跳出即可，如下GIF图所示 :

接着，我们再次跳入add方法中，如下图所示 :

可以看到，这不就是上面演示的外层add方法吗？是的，也就是说，从elementData数组的初始化后，带参构造集合在扩容时，底层所有的操作都同无参构造一致。

因此，下面的演示up就多以GIF图来呈现了。其实只要上面那个无参的你会了，这个过一遍就🆗了。

接下来，我们完成集合中第一个元素的添加，如下GIF图所示 :

4°将集合中的元素添加到4个。（第一个临界点）

由于底层的elementData数组初始化时长度为4。因此前四个元素的添加均无二致。我们一笔带过就好，如下GIF图演示 :

5°集合的第二次扩容。

当前集合的元素已达4个，要想向集合中添加第五个元素，需要再次进行扩容。扩容机制同上面的演示一样，这里不再赘述。如下GIF图演示 :

6°将集合中的元素添加到6个。（第二个临界点）

如下GIF图所示 :

7°集合的第三次扩容。

经过两次扩容，集合的容量从0 ——> 4 ——> 6，那么第三次扩容，就应该是6的1.5倍 = 9了。我们来看看是不是，如下GIF图所示 :

可以看到，第三次扩容后，elementData数组的长度确实从6扩到了9。如下图所示 :

四、总结

🆗，以上就是我们ArrayLIst源码分析的全部内容了。其实，如果你看过JDK８.０的源码，不难发现两个在底层的实现上有着异曲同工之妙。当然，就up个人主观来看，两者的差异主要体现在了方法的形参和方法的位置上。话说回来，非常建议大家跟着up一起Debug一下，看源码，通过Debug去了解源码的结构，有助于提升大家对于源码的阅读力。感谢阅读！