Java ArrayList 完整指南：原理、源碼解析與效能比較

什麼是 ArrayList？

ArrayList 是一個動態陣列實作的 List 介面，繼承自 AbstractList，實作了 RandomAccess、Cloneable、Serializable 介面。相較於傳統陣列，它的容量可隨元素新增自動擴充。支援快速隨機存取（索引查詢）、元素新增、刪除、修改、遍歷等操作。

核心特性

• 隨機存取優勢：實作 RandomAccess，透過索引 get(index) 為 O(1) 時間複雜度
• 非線程安全：多線程環境建議使用 Vector 或 CopyOnWriteArrayList
• 擴容機制：預設容量 10，不足時新容量 = (舊容量 × 3) / 2 + 1
• 序列化支援：可透過物件流傳輸

類繼承關係圖

建構子與核心 API

三種建構子

ArrayList()                    // 預設容量 10
ArrayList(int capacity)        // 指定初始容量
ArrayList(Collection<? extends E> c)  // 從集合建立

常用方法分類

Collection 介面方法：add、addAll、clear、contains、size、toArray 等

List 介面方法：add(index, element)、get(index)、set(index, element)、remove(index)、subList 等

ArrayList 專有方法：ensureCapacity、trimToSize、removeRange、clone

源碼核心解析

內部資料結構

private transient Object[] elementData;  // 儲存元素的陣列
private int size;                         // 實際元素數量

關鍵方法實作

擴容 ensureCapacity：檢查容量，不足時建立新陣列並 Arrays.copyOf 複製

新增元素 add：確保容量後，直接 elementData[size++] = e

指定位置插入 add(index, element)：System.arraycopy 將 index 後元素右移，再插入

刪除元素 remove：System.arraycopy 將後續元素左移，最後一位設 null 利於 GC

隨機存取 get：RangeCheck 後直接回傳 elementData[index]，O(1) 效能

三種遍歷方式效能比較

結論：ArrayList 因實作 RandomAccess，索引遍歷最快；迭代器有額外開銷，效能最低。

toArray() 型別轉換陷阱

toArray() 回傳 Object[]，強轉為 String[] 會拋 ClassCastException。正確做法：

// 方式一：預先配置大小
String[] arr = new String[list.size()];
list.toArray(arr);

// 方式二：傳入空陣列 (最常用、效能佳)
String[] arr = list.toArray(new String[0]);

實戰範例

ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
list.add("1"); list.add("2"); list.add("3");
list.add(0, "5");           // 指定位置插入
System.out.println(list.get(0));  // 5
list.remove("3");           // 刪除指定元素
list.set(1, "10");          // 修改元素

// 遍歷輸出
for (String s : list) System.out.println(s);

// 轉陣列
String[] arr = list.toArray(new String[0]);