1. 核心概念与定义
2. 主要区别对比表
3. 详细特性分析
4. 代码示例
5. 如何选择：何时用数组，何时用 ArrayList？

核心概念与定义

数组

• 定义：数组是一个固定长度的、用来存储相同类型数据的数据结构。
• 特点：
  • 长度固定：一旦创建,其大小就不能改变。
  • 类型统一：只能存储一种数据类型（int[] 只能存 int，String[] 只能存 String）。
  • 底层连续：在内存中是连续存储的，这使得通过索引访问元素非常快（时间复杂度为 O(1)）。
  • 性能高：由于内存连续，访问速度极快,也基本没有额外的方法调用开销。

ArrayList

• 定义：ArrayList 是 Java 集合框架 (java.util.ArrayList) 中的一个类，它实现了 List 接口，它本质上是一个动态数组。
• 特点：
  • 长度可变：可以根据需要动态地增加或减少元素的大小。
  • 类型安全（泛型）：通过泛型（ArrayList<String>）可以确保只能存储指定类型的数据,避免了类型转换的错误。
  • 底层是数组：ArrayList 的内部实现就是一个数组，当元素数量超过当前数组容量时，它会创建一个更大的新数组（通常是原容量的 1.5 倍），然后将旧数组的元素复制到新数组中，这个过程被称为“扩容”（Resizing）。
  • 提供丰富方法：封装了大量便捷的方法，如 add(), remove(), size(), get() 等,使用起来非常方便。

主要区别对比表

详细特性分析

数组的详细分析

优点:

• 性能极致：对于已知大小的数据集，数组是最高效的选择，内存访问是直接的,没有额外的对象和方法调用。
• 内存紧凑：在内存中是连续的,没有额外的指针或对象头开销。

缺点:

• 长度固定：这是最大的缺点，如果不知道要存多少数据，数组的大小很难确定，定义太大浪费内存，定义太小又会导致程序出错（ArrayIndexOutOfBoundsException）。
• 功能匮乏：没有内置的方法来排序、搜索、添加或删除元素，所有这些操作都需要自己手动实现,非常繁琐。

ArrayList 的详细分析

优点:

• 动态扩容：解决了数组长度固定的问题,使用起来非常灵活。
• 功能强大：提供了丰富的 API，极大简化了开发。list.remove(0) 可以轻松移除第一个元素,而在数组中这需要手动移动所有后续元素。
• 代码可读性高：list.add("item") 比 arr[index++] = "item" 更直观。

缺点:

• 性能开销：
  • 扩容成本：当 ArrayList 频繁添加元素导致多次扩容时,复制数组会带来一定的性能开销。
  • 中间插入/删除慢：由于底层数组的连续性，在中间位置插入或删除一个元素，平均需要移动一半的元素，时间复杂度为 O(n)。
• 空间开销：为了支持动态扩容，ArrayList 内部通常会预留一部分容量（capacity）,这可能导致比数组占用更多的内存。
• 不能存基本类型：虽然可以通过自动装箱（int -> Integer）解决，但会带来额外的对象创建和内存开销，并且可能产生 NullPointerException。

代码示例

数组示例

public class ArrayExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 1. 声明并初始化一个固定长度的整型数组
        int[] numbers = new int[5]; // 长度为 5
        // 2. 赋值
        numbers[0] = 10;
        numbers[1] = 20;
        numbers[2] = 30;
        numbers[3] = 40;
        numbers[4] = 50;
        // 3. 访问元素
        System.out.println("第一个元素是: " + numbers[0]); // 输出: 第一个元素是: 10
        // 4. 获取数组长度
        System.out.println("数组长度是: " + numbers.length); // 输出: 数组长度是: 5
        // 5. 遍历数组
        System.out.println("遍历数组:");
        for (int i = 0; i < numbers.length; i++) {
            System.out.print(numbers[i] + " "); // 输出: 10 20 30 40 50
        }
        System.out.println();
        // 6. 数组的缺点：长度固定，尝试添加第6个元素会抛出异常
        // numbers[5] = 60; // 编译不通过，数组索引越界
    }
}

ArrayList 示例

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class ArrayListExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 1. 声明并初始化一个 ArrayList (只能存储 String 对象)
        List<String> names = new ArrayList<>(); // 使用接口 List 声明是更好的编程习惯
        // 2. 添加元素 (长度可变)
        names.add("Alice");
        names.add("Bob");
        names.add("Charlie");
        System.out.println("初始列表: " + names); // 输出: [Alice, Bob, Charlie]
        // 3. 在指定位置添加元素
        names.add(1, "David");
        System.out.println("在索引1处添加David后: " + names); // 输出: [Alice, David, Bob, Charlie]
        // 4. 获取元素
        System.out.println("索引为1的元素是: " + names.get(1)); // 输出: David
        // 5. 获取列表大小 (注意不是 length)
        System.out.println("列表大小是: " + names.size()); // 输出: 4
        // 6. 移除元素
        names.remove("Alice"); // 移除第一个匹配的元素
        System.out.println("移除Alice后: " + names); // 输出: [David, Bob, Charlie]
        names.remove(0); // 移除指定索引的元素
        System.out.println("移除索引0后: " + names); // 输出: [Bob, Charlie]
        // 7. 检查元素是否存在
        System.out.println("列表中是否包含 'Bob'? " + names.contains("Bob")); // 输出: true
        // 8. 遍历 ArrayList (多种方式)
        System.out.println("使用 for-each 遍历:");
        for (String name : names) {
            System.out.print(name + " "); // 输出: Bob Charlie
        }
        System.out.println();
    }
}

如何选择：何时用数组，何时用 ArrayList？

这是一个非常常见且重要的问题,遵循以下原则可以做出正确的选择：

优先选择 ArrayList 的情况：

1. 不确定数据量大小：如果你不知道最终需要存储多少个元素，或者元素数量会动态变化，ArrayList 是不二之选。
2. 需要频繁的增删操作：特别是对列表头或中间进行增删，ArrayList 提供了简洁的 API,而数组操作非常复杂。
3. 需要丰富的集合操作：如果你需要排序、查找、清空列表、检查元素是否存在等，直接使用 ArrayList 的方法即可,无需自己实现。
4. 代码简洁性和可读性优先：ArrayList 的方法调用（如 add, remove）比手动操作数组索引更直观、更不易出错。

在 90% 的日常开发场景中，都应该优先使用 ArrayList。

选择数组的情况：

1. 性能是绝对优先级：在处理大规模数据（如游戏引擎、科学计算、高频交易）时，对内存访问速度要求极致，数组的直接内存访问是 ArrayList 无法比拟的。
2. 数据量固定且已知：如果你明确知道数据量不会改变（一年中的12个月，一周中的7天），使用数组更高效，因为它没有 ArrayList 的扩容和对象开销。
3. 作为 ArrayList 或其他集合的底层实现：ArrayList 本身就是用数组实现的，当你需要自己实现高性能数据结构时,数组是基础。
4. 与 JNI 或其他本地代码交互：在调用本地 C/C++ 代码时，通常需要传递原始的数组指针，Java 数组可以方便地做到这一点。

只有在性能极其敏感、数据量固定且明确知道大小的场景下，才考虑使用原生数组。

希望这个详细的对比能帮助你彻底理解 Java 数组和 ArrayList 的区别与用法！