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Java实习生面试复习(三)：ArrayList

我是一名很普通的双非大三学生，跟很多同学一样，有着一颗想进大厂的梦。接下来的几个月内，我将坚持写博客，输出知识的同时巩固自己的基础，记录自己的成长和锻炼自己，备战2021暑期实习面试！奥利给！！

ArrayList 我们几乎每天都会使用到，本文就一起来看看同样是面试高频问到的ArrayList的相关知识吧。

ArrayList分析

底层结构分析

其实ArrayList是很简单的， ArrayList 其实就是围绕底层 数组结构 ，各个 API 都是对数组的操作进行封装，看下图：

//默认数组大小10
  private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

  //数组使用的大小
  private int size;
  
  //数组存放的容器
  transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
  
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图中展示是长度为 8 的数组(为了画图方便，其实默认是10)，长度从 1 开始计数，index 表示数组的下标，从 0 开始计数，elementData 表示数组本身。

源码中除了这两个概念，还有以下三个基本概念：

DEFAULT_CAPACITY 表示数组的初始大小，默认是 10，这个数字要记住；
size 表示当前数组的大小，类型 int，没有使用 volatile 修饰，非线程安全的；
modCount 统计当前数组被修改的版本次数，数组结构有变动，就会 +1。 modCount继承自AbstractList，主要应用 快速失败机制 ，在上一篇HashMap中有提到这个机制，这里就不在赘述了

三种初始化办法： 无参数直接初始化、指定大小初始化、指定初始数据初始化

//  无参数构造器，默认是空数组
  public ArrayList() {
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
  }
  
  // 指定大小初始化
  public ArrayList(int initialCapacity) {
    if (initialCapacity > 0) {
      this.elementData = new Object[initialCapacity];
    } else if (initialCapacity == 0) {
      this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    } else {
      throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                         initialCapacity);
    }
  }
  // 指定初始数据初始化
  public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
    //elementData 是保存数组的容器，默认为 null
    elementData = c.toArray();
    //如果给定的集合（c）数据有值，则进行拷贝赋值操作
    if ((size = elementData.length) != 0) {
      //如果集合元素类型不是 Object 类型，才开始拷贝，否则不执行
      if (elementData.getClass() != Object[].class) {
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
      }
    } else {
      // 给定集合（c）无值，则默认空数组
      this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
  }
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注意：ArrayList 无参构造器初始化时，默认大小是空数组，跟HashMap一样，都是在第一次 add 的时候扩容的数组值。

新增和扩容实现

新增的代码其实很简短

// 添加到数组尾部
  public boolean add(E e) {
    //确保数组大小足够，不够需要扩容
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    //直接赋值，线程不安全的
    elementData[size++] = e;
    return true;
  }
  
  // 添加到指定位置
  public void add(int index, E element) {
    rangeCheckForAdd(index);
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
 /**
   * @param      src      the source array. 源数组
   * @param      srcPos   starting position in the source array. 源数组的起始位置
   * @param      dest     the destination array. 目标数组
   * @param      destPos  starting position in the destination data. 目标数组的起始位置
   * @param      length   the number of array elements to be copied. 复制的长度
   */
    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                     size - index);
    elementData[index] = element;
    size++;
  }
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我们可以看到两个add方法，我们来分析一下这两个方法： 添加到数组尾部 时间复杂度O(1)：

其实就是两步，判断是否需要扩容，如果需要就执行扩容操作；然后赋值；

添加到指定位置时间复杂度O(n)：

rangeCheckForAdd 先判断下标是否正确
ensureCapacityInternal 判断是否需要扩容
arraycopy 将原数组从下标开始的数据全部往后移一位
给指定下标的位置赋值

// 扩容
  private void grow(int minCapacity) {
  
    int oldCapacity = elementData.length;
    // oldCapacity >> 1 是把 oldCapacity / (2 ^ 1) 的意思
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);

    // 如果扩容后的值 < 我们的期望值，扩容后的值就等于我们的期望值
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
      newCapacity = minCapacity;

    // 如果扩容后的值 > jvm 所能分配的数组的最大值，那么就去 Integer 的最大值
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
      newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);

    // 通过复制进行扩容  底层实际上还是System.arraycopy方法
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
  }
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我们可以看到扩容是通过这行代码来实现的：Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);，这行代码指的就是数组之间的拷贝，扩容是会先 新建一个预期容量的新数组 ，然后把 老数组的数据拷贝过去 ，底层还是System.arraycopy 方法进行拷贝，此方法是 native 的方法这里需要注意：扩容的规则是原来容量大小 + 容量大小的一半，也就是原来容量的 1.5 倍；ArrayList 中的数组的最大值是 Integer.MAX_VALUE。且 ArrayList 是允许 null 值的。

删除实现

ArrayList 删除元素有很多种方式，比如 根据数组索引删除、根据值删除或批量删除 等等，原理和思路都差不多，我们选取根据值和下标删除方式来进行说明：

//根据数组下标去删除
public E remove(int index) {
    rangeCheck(index);

    modCount++;
    E oldValue = elementData(index);

    int numMoved = size - index - 1;
    if (numMoved > 0)
      System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                       numMoved);
    elementData[--size] = null; // 方便GC，防止造成内存溢出

    return oldValue;
}
// 按值删除
public boolean remove(Object o) {
  // 如果要删除的值是 null，找到第一个值是 null 的删除
  if (o == null) {
    for (int index = 0; index < size; index++)
      if (elementData[index] == null) {
        fastRemove(index);
        return true;
      }
  } else {
    // 如果要删除的值不为 null，找到第一个和要删除的值相等的删除
    for (int index = 0; index < size; index++)
      // 这里是根据  equals 来判断值相等的，相等后再根据索引位置进行删除
      if (o.equals(elementData[index])) {
        fastRemove(index);
        return true;
      }
  }
  return false;
}
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我们需要注意的是：

在新增的时候我有提到是可以add null的，所以删除的时候也是允许删除 null 值的，只不过是删除找到的第一个null；
按值删除，需要先找到值在数组中的索引位置，是通过 equals 来判断的，如果数组元素不是基本类型，就需要我们做 equals 的具体实现。

总结：我们可以看出其实新增和删除都涉及到了数组的复制，这也是为什么ArrayList适合查找，LinkedList适合新增删改，但是如果是直接添加到数组尾部的话，还是很快的。但是这是有条件的，也就是我们不指定位置直接添加元素时(add(E element))，元素会默认会添加在最后，不会触发底层数组的复制，不考虑底层数组自动扩容的话，时间复杂度为O(1) ，在指定位置添加元素(add(int index, E element))，需要复制底层数组，根据最坏打算，时间复杂度是O(n)。

迭代器

我们都知道所有集合都是Collection接口的实现类，又因为Collection继承了Iterable接口，因此所有集合都是可迭代的。我们常常会采用集合的迭代器来遍历集合元素，我们来看看ArrayList对迭代器的实现，从而深入分析为什么对集合执行相关修改操作时为什么会抛出 ConcurrentModificationException 。

// 实现 Iterator 接口
  private class Itr implements Iterator<E> {
    // 迭代过程中，下一个元素的位置，从 0 开始，用来控制拿下一个元素
    int cursor; 
    // 新增时表示上一次迭代过程中，索引的位置，删除成功时为 -1
    int lastRet = -1; 
    // 迭代过程中期望数组修改版本号
    int expectedModCount = modCount;

    public boolean hasNext() {...}

    public E next() {
      //迭代过程中，判断版本号有无被修改，有被修改，抛 ConcurrentModificationException 异常
      checkForComodification();
	  ... 省略代码
      // 返回元素值
      return (E) elementData[lastRet = i];
}

    public void remove() {
      //迭代过程中，判断版本号有无被修改，有被修改，抛 ConcurrentModificationException 异常
      checkForComodification();
      try {
      // 调用自身的remove
        ArrayList.this.remove(lastRet);
		... 省略代码
        expectedModCount = modCount;
      } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
        throw new ConcurrentModificationException();
      }
  }
  // 对比迭代器的删除，你发现了什么？
  public E remove(int index) {
	... 省略代码
    modCount++;
    ... 省略代码
    return oldValue;
  }
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该迭代器实现了Iterator接口并实现了相关方法，提供我们对集合的遍历能力。

总结：ArrayList的迭代器默认是其内部类实现，实现一个自定义迭代器只需要实现Iterator接口并实现相关方法即可。而实现Iterable接口表示该实现类具有像for-each loop迭代遍历的能力。

我们都知道，如果在迭代的过程中调用非迭代器内部的remove或者clear方法将会抛出ConcurrentModificationException异常，那到底是为什么呢？

首先这里涉及到两个很重要的变量，一个是 expectedModCount ,另一个是 modCount ， expectedModCount 在集合内部迭代器中定义，就像上面源码所示， modCount 在AbstractList中定义。，默认迭代器初始化的时候 expectedModCount = modCount 说明两者是相等的，我们可以看到next方法和remove方法都会去判断，只有当不相等的情况下才会抛出异常。我们可以看到ArrayList自身的remove方法在删除元素的时候会将modCount++，虽然迭代器本质上也是 this.remove ，但它在删除之后执行了一行 expectedModCount = modCount ，以此保证了两个值的相等，这也是java.util下的集合类的快速失败机制的实现。

总结：迭代器迭代集合时不能对被迭代集合进行修改，原因是modCount和expectedModCount两个变量值不想等导致的！如果想删除需要调用Iterator.remove ()，另外快速失败机制并不能保证ArrayList是线程安全的。

回顾一下，看完这篇文章你答的上以下问题了吗？