我说ArrayList初始容量是10,面试官让我回去等通知

2023年 10月 12日 70.8k 0

引言

在Java集合中,ArrayList是最常用到的数据结构,无论是在日常开发还是面试中,但是很多人对它的源码并不了解。下面提问几个问题,检验一下大家对ArrayList的了解程度。

  • ArrayList的初始容量是多少?(90%的人都会答错)
  • ArrayList的扩容机制
  • 并发修改ArrayList元素会有什么问题
  • 如何快速安全的删除ArrayList中的元素
  • 接下来一块分析一下ArrayList的源码,看完ArrayList源码之后,可以轻松解答上面四个问题。

    简介

    ArrayList底层基于数组实现,可以随机访问,内部使用一个Object数组来保存元素。它维护了一个 elementData 数组和一个 size 字段,elementData数组用来存放元素,size字段用于记录元素个数。它允许元素是null,可以动态扩容。
    image.png

    初始化

    当我们调用ArrayList的构造方法的时候,底层实现逻辑是什么样的?

    // 调用无参构造方法,初始化ArrayList
    List list1 = new ArraryList();
    
    // 调用有参构造方法,初始化ArrayList,指定容量为10
    List list1 = new ArraryList(10);
    

    看一下底层源码实现:

    // 默认容量大小
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
    
    // 空数组
    private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
    
    // 默认容量的数组对象
    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
    
    // 存储元素的数组
    transient Object[] elementData;
    
    // 数组中元素个数,默认是0
    private int size;
    
    // 无参初始化,默认是空数组
    public ArrayList() {
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
    
    // 有参初始化,指定容量大小
    public ArrayList(int initialCapacity) {
        if (initialCapacity > 0) {
            // 直接使用指定的容量大小
            this.elementData = new Object[initialCapacity];
        } else if (initialCapacity == 0) {
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        } else {
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+initialCapacity);
        }
    }
    

    可以看到当我们调用ArrayList的无参构造方法 new ArraryList() 的时候,只是初始化了一个空对象,并没有指定数组大小,所以初始容量是零。至于什么时候指定数组大小,接着往下看。

    添加元素

    再看一下往ArrayList种添加元素时,调用的 add() 方法源码:

    // 添加元素
    public boolean add(E e) {
      // 确保数组容量够用,size是元素个数
      ensureCapacityInternal(size + 1);
      // 直接在下个位置赋值
      elementData[size++] = e;
      return true;
    }
    
    // 确保数组容量够用
    private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
    }
    
    // 计算所需最小容量
    private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
      	// 如果数组等于空数组,就设置默认容量为10
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
            return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }
        return minCapacity;
    }
    
    // 确保容量够用
    private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        modCount++;
      	// 如果所需最小容量大于数组长度,就进行扩容
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
    }
    

    看一下扩容逻辑:

    // 扩容,就是把旧数据拷贝到新数组里面
    private void grow(int minCapacity) {
      int oldCapacity = elementData.length;
      // 计算新数组的容量大小,是旧容量的1.5倍
      int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    
      // 如果扩容后的容量小于最小容量,扩容后的容量就等于最小容量
      if (newCapacity - minCapacity  0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
     
      // 扩容并赋值给原数组
      elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }
    

    可以看到:

    • 扩容的触发条件是数组全部被占满
    • 扩容是以旧容量的1.5倍扩容,并不是2倍扩容
    • 最大容量是Integer的最大值
    • 添加元素时,没有对元素校验,允许为null,也允许元素重复。

    再看一下数组拷贝的逻辑,这里都是Arrays类里面的方法了:

    /**
     * @param original  原数组
     * @param newLength 新的容量大小
     */
    public static  T[] copyOf(T[] original, int newLength) {
        return (T[]) copyOf(original, newLength, original.getClass());
    }
    
    public static  T[] copyOf(U[] original, int newLength, Class c) {
        // 非空校验
        Objects.requireNonNull(c);
        // 批量删除
        return batchRemove(c, false);
    }
    
    private boolean batchRemove(Collection c, boolean complement){
        final Object[] elementData = this.elementData;
        int r = 0, w = 0;
        boolean modified = false;
        try {
            for (; r < size; r++)
                if (c.contains(elementData[r]) == complement)
                    // 把需要保留的元素左移
                    elementData[w++] = elementData[r];
        } finally {
    		// 当出现异常情况的时候,可能不相等
            if (r != size) {
                // 可能是其它线程添加了元素,把新增的元素也左移
                System.arraycopy(elementData, r,
                                 elementData, w,
                                 size - r);
                w += size - r;
            }
          	// 把不需要保留的元素设置为null
            if (w != size) {
                for (int i = w; i < size; i++)
                    elementData[i] = null;
                modCount += size - w;
                size = w;
                modified = true;
            }
        }
        return modified;
    }
    

    批量删除元素的逻辑,并不是大家想象的:

    遍历数组,判断要删除的集合中是否包含当前元素,如果包含就删除当前元素。删除的流程就是把后面位置的所有元素整体左移,然后把最后位置的元素设置为null。

    这样删除的操作,涉及到多次的数组拷贝,性能较差,而且还存在并发修改的问题,就是一边遍历,一边更新原数组。
    批量删除元素的逻辑,设计充满了巧思,具体流程就是:

  • 把需要保留的元素移动到数组左边,使用下标 w 做统计,下标 w 左边的是需要保留的元素,下标 w 右边的是需要删除的元素。
  • 虽然ArrayList不是线程安全的,也考虑了并发修改的问题。如果上面过程中,有其他线程新增了元素,把新增的元素也移动到数组左边。
  • 最后把数组中下标 w 右边的元素都设置为null。
  • 所以当需要批量删除元素的时候,尽量使用 removeAll() 方法,性能更好。

    并发修改的问题

    当遍历ArrayList的过程中,同时增删ArrayList中的元素,会发生什么情况?测试一下:

    import java.util.ArrayList;
    import java.util.List;
    
    public class Test {
    
        public static void main(String[] args) {
            // 创建ArrayList,并添加4个元素
            List list = new ArrayList();
            list.add(1);
            list.add(2);
            list.add(2);
            list.add(3);
            // 遍历ArrayList
            for (Integer key : list) {
                // 判断如果元素等于2,则删除
                if (key.equals(2)) {
                    list.remove(key);
                }
            }
        }
    }
    

    运行结果:

    Exception in thread "main" java.util.ConcurrentModificationException
    	at java.util.ArrayList$Itr.checkForComodification(ArrayList.java:911)
    	at java.util.ArrayList$Itr.next(ArrayList.java:861)
    	at com.yideng.Test.main(Test.java:14)
    

    报出了并发修改的错误,ConcurrentModificationException
    这是因为 forEach 使用了ArrayList内置的迭代器,这个迭代器在迭代的过程中,会校验修改次数 modCount,如果 modCount 被修改过,则抛出ConcurrentModificationException异常,快速失败,避免出现不可预料的结果。

    // ArrayList内置的迭代器
    private class Itr implements Iterator {
        int cursor;       
        int lastRet = -1; 
        int expectedModCount = modCount;
        
        // 迭代下个元素
        public E next() {
            // 校验 modCount
            checkForComodification();
            int i = cursor;
            if (i >= size)
                throw new NoSuchElementException();
            Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
            if (i >= elementData.length)
                throw new ConcurrentModificationException();
            cursor = i + 1;
            return (E)elementData[lastRet = i];
        }
    
        // 校验 modCount 是否被修改过
        final void checkForComodification() {
            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }
    

    如果想要安全的删除某个元素,可以使用 remove(int index) 或者 removeIf() 方法。

    import java.util.ArrayList;
    import java.util.List;
    
    public class Test {
    
        public static void main(String[] args) {
            // 创建ArrayList,并添加4个元素
            List list = new ArrayList();
            list.add(1);
            list.add(2);
            list.add(2);
            list.add(3);
            // 使用 remove(int index) 删除元素
            for (int i = 0; i  key.equals(2));
        }
    
    }
    

    总结

    现在可以回答文章开头提出的问题了吧:

  • ArrayList的初始容量是多少?
  • 答案:初始容量是0,在第一次添加元素的时候,才会设置容量为10。

  • ArrayList的扩容机制
  • 答案:

  • 创建新数组,容量是原来的1.5倍。
  • 把旧数组元素拷贝到新数组中
  • 使用新数组覆盖旧数组对象
  • 并发修改ArrayList元素会有什么问题
  • 答案:会快速失败,抛出ConcurrentModificationException异常。

  • 如何快速安全的删除ArrayList中的元素
  • 答案:使用remove(int index)removeIf() 或者 removeAll() 方法。
    我们知道ArrayList并不是线程安全的,原因是它的 add()remove() 方法、扩容操作都没有加锁,多个线程并发操作ArrayList的时候,会出现数据不一致的情况。
    想要线程安全,其中一种方式是初始化ArrayList的时候使用 Collections.synchronizedCollection() 修饰。这样ArrayList所有操作都变成同步操作,性能较差。还有一种性能较好,又能保证线程安全的方式是使用 CopyOnWriteArrayList,就是下章要讲的。

    // 第一种方式,使用 Collections.synchronizedCollection() 修饰
    List list1 = Collections.synchronizedCollection(new ArrayList());
    
    // 第二种方式,使用 CopyOnWriteArrayList
    List list1 = new CopyOnWriteArrayList();
    

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