【08期】ArrayList常见面试题

- 日理万妓 2024-03-24 23:21 68阅读 0赞

### **简介** ###

> ArrayList是我们开发中非常常用的数据存储容器之一，其底层是数组实现的，我们可以在集合中存储任意类型的数据，ArrayList是线程不安全的，非常适合用于对元素进行查找，效率非常高。

### **线程安全性** ###

对ArrayList的操作一般分为两个步骤，改变位置(size)和操作元素(e)。所以这个过程在多线程的环境下是不能保证具有原子性的，因此ArrayList在多线程的环境下是线程不安全的。

### **源码分析** ###

#### 1. 属性分析 ####

/**
     * 默认初始化容量
     */
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
    
    /**
     * 如果自定义容量为0，则会默认用它来初始化ArrayList。或者用于空数组替换。
     */
    private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
    
    /**
     * 如果没有自定义容量，则会使用它来初始化ArrayList。或者用于空数组比对。
     */
    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
    
    /**
     * 这就是ArrayList底层用到的数组
    
     * 非私有，以简化嵌套类访问
     * transient 在已经实现序列化的类中，不允许某变量序列化
     */
    transient Object[] elementData;
    
    /**
     * 实际ArrayList集合大小
     */
    private int size;
    
    /**
     * 可分配的最大容量
     */
    private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

--------------------

##### 扩展：什么是序列化 #####

序列化是指：将对象转换成以字节序列的形式来表示，以便用于持久化和传输。

实现方法：实现Serializable接口。

然后用的时候拿出来进行反序列化即可又变成Java对象。

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#### transient关键字解析 ####

> Java中transient关键字的作用，简单地说，就是让某些被修饰的成员属性变量不被序列化。

有了`transient`关键字声明，则这个变量不会参与序列化操作，即使所在类实现了Serializable接口，反序列化后该变量为空值。

> 那么问题来了：ArrayList中数组声明：`transient Object[] elementData;`，事实上我们使用ArrayList在网络传输用的很正常，并没有出现空值。

原来：`ArrayList`在序列化的时候会调用`writeObject()`方法，将`size`和`element`写入`ObjectOutputStream`；反序列化时调用`readObject()`，从`ObjectInputStream`获取`size`和`element`，再恢复到`elementData`。

> 那为什么不直接用elementData来序列化，而采用上诉的方式来实现序列化呢？

原因在于`elementData`是一个缓存数组，它通常会预留一些容量，等容量不足时再扩充容量，那么有些空间可能就没有实际存储元素，采用上诉的方式来实现序列化时，就可以保证只序列化实际存储的那些元素，而不是整个数组，从而**节省空间和时间**。

#### 2. 构造方法分析 ####

根据initialCapacity 初始化一个空数组，如果值为0，则初始化一个空数组:

/**
     * 根据initialCapacity 初始化一个空数组
     */
    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);
        }
    }

不带参数初始化，默认容量为10:

/**
     * 不带参数初始化，默认容量为10
     */
    public ArrayList() {
        
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }

通过集合做参数的形式初始化：如果集合为空，则初始化为空数组：

/**
     * 通过集合做参数的形式初始化
     */
    public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
        
        elementData = c.toArray();
        if ((size = elementData.length) != 0) {
        
            // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
            if (elementData.getClass() != Object[].class)
                elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
        } else {
        
            // replace with empty array.
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        }
    }

#### 3. 主干方法 ####

##### trimToSize()方法： #####

> 用来最小化实例存储，将容器大小调整为当前元素所占用的容量大小。

/**
     * 这个方法用来最小化实例存储。
     */
    public void trimToSize() {
        
        modCount++;
        if (size < elementData.length) {
        
            elementData = (size == 0)
              ? EMPTY_ELEMENTDATA
              : Arrays.copyOf(elementData, size);
        }
    }

##### clone()方法 #####

> 用来克隆出一个新数组。

public Object clone() {
        
        try {
        
            ArrayList<?> v = (ArrayList<?>) super.clone();
            v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);
            v.modCount = 0;
            return v;
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
        
            // this shouldn't happen, since we are Cloneable
            throw new InternalError(e);
        }
    }

通过调用`Object`的`clone()`方法来得到一个新的`ArrayList`对象，然后将`elementData`复制给该对象并返回。

##### add(E e)方法 #####

> 在数组末尾添加元素

/**
     * 在数组末尾添加元素
     */
    public boolean add(E e) {
        
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }

看到它首先调用了`ensureCapacityInternal()`方法.注意参数是size+1,这是个面试考点。

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        
        ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
    }

这个方法里又嵌套调用了两个方法:计算容量+确保容量

计算容量：如果elementData是空，则返回默认容量10和size+1的最大值，否则返回size+1

private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
        
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        
            return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }
        return minCapacity;
    }

计算完容量后，进行确保容量可用：(modCount不用理它，它用来计算修改次数)

如果`size+1 > elementData.length`证明数组已经放满，则增加容量，调用`grow()`。

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        
        modCount++;
    
        // overflow-conscious code
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
    }

增加容量：默认1.5倍扩容。

1.  获取当前数组长度=>oldCapacity
2.  oldCapacity>>1 表示将oldCapacity右移一位(位运算)，相当于除2。再加上1，相当于新容量扩容1.5倍。
3.  如果 `newCapacity>1=1`, `1<2`所以如果不处理该情况，扩容将不能正确完成。
4.  如果新容量比最大值还要大，则将新容量赋值为VM要求最大值。
5.  将elementData拷贝到一个新的容量中。

private void grow(int minCapacity) {
        
        // overflow-conscious code
        int oldCapacity = elementData.length;
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            newCapacity = minCapacity;
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
        // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }

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##### size+1的问题 #####

> 好了，那到这里可以说一下为什么要size+1。

size+1代表的含义是：

1.  如果集合添加元素成功后，集合中的实际元素个数。
2.  为了确保扩容不会出现错误。

假如不加一处理，如果默认size是0，则0+0>>1还是0。 如果size是1，则1+1>>1还是1。有人问:不是默认容量大小是10吗?事实上，jdk1.8版本以后，ArrayList的扩容放在add()方法中。之前放在构造方法中。我用的是1.8版本，所以默认`ArrayList arrayList = new ArrayList();`后，size应该是0.所以,size+1对扩容来讲很必要.

public static void main(String[] args) {
        
        ArrayList arrayList = new ArrayList();
        System.out.println(arrayList.size());
    }
    
    输出:0

事实上上面的代码是证明不了容量大小的，因为size只会在调用`add()`方法时才会自增。有办法的小伙伴可以在评论区大显神通。

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##### add(int index, E element)方法 #####

public void add(int index, E element) {
        
        rangeCheckForAdd(index);
    
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                         size - index);
        elementData[index] = element;
        size++;
    }

rangeCheckForAdd()是越界异常检测方法。`ensureCapacityInternal()`之前有讲，着重说一下`System.arrayCopy`方法：

public static void arraycopy(Object src, int srcPos, Object dest, int destPos, int length)

代码解释:

*  Object src : 原数组
 *  int srcPos : 从元数据的起始位置开始
 *  Object dest : 目标数组
 *  int destPos : 目标数组的开始起始位置
 *  int length : 要copy的数组的长度

示例：size为6，我们调用`add(2,element)`方法，则会从index=`2+1=3`的位置开始，将数组元素替换为从index起始位置为`index=2`，长度为`6-2=4`的数据。

![alt][]

异常处理：

private void rangeCheckForAdd(int index) {
        
        if (index > size || index < 0)
            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
    }

##### set(int index,E element)方法 #####

public E set(int index, E element) {
        
        rangeCheck(index);
    
        E oldValue = elementData(index);
        elementData[index] = element;
        return oldValue;
    }
    
    E elementData(int index) {
        
        return (E) elementData[index];
    }

逻辑很简单，覆盖旧值并返回。

##### indexOf(Object o)方法 #####

> 根据Object对象获取数组中的索引值。

public int indexOf(Object o) {
        
        if (o == null) {
        
            for (int i = 0; i < size; i++)
                if (elementData[i]==null)
                    return i;
        } else {
        
            for (int i = 0; i < size; i++)
                if (o.equals(elementData[i]))
                    return i;
        }
        return -1;
    }

如果o为空，则返回数组中第一个为空的索引；不为空也类似。

注意：通过源码可以看到，该方法是允许传空值进来的。

##### get(int index)方法 #####

> 返回指定下标处的元素的值。

public E get(int index) {
        
        rangeCheck(index);
    
        return elementData(index);
    }

`rangeCheck(index)`会检测index值是否合法，如果合法则返回索引对应的值。

##### remove(int index)方法 #####

> 删除指定下标的元素。

public E remove(int index) {
        
        // 检测index是否合法
        rangeCheck(index);
        // 数据结构修改次数
        modCount++;
        E oldValue = elementData(index);
    
        // 记住这个算法
        int numMoved = size - index - 1;
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                             numMoved);
        elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
    
        return oldValue;
    }

这里又碰到了`System.arraycopy()`方法，详情请查阅上文。

大概思路：将该元素后面的元素前移，最后一个元素置空。

### **ArrayList优缺点** ###

优点：

1.  因为其底层是数组，所以修改和查询效率高。
2.  可自动扩容(1.5倍)。

缺点：

1.  插入和删除效率不高。
2.  线程不安全。

### **手写ArrayList** ###

那面试手写ArrayList应该就不是问题了。

下面贴出我手写的一个简单阉割版的ArrayList：

public class MyArrayList {
        
    
        // 非私有，以简化嵌套类访问
        // transient 在已经实现序列化的类中，不允许某变量序列化
        transient Object[] elementData;
    
        //默认容量
        private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
    
        // 用于空实例的 空数组实例
        private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
    
        private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
        // 实际ArrayList集合大小
        private int size;
        /**
         * 构造方法
         */
        public MyArrayList(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);
            }
        }
        public MyArrayList(){
        
            this(DEFAULT_CAPACITY);
        }
    
        public void add(Object o){
        
            //1. 判断数据容量是否大于 elementData
            ensureExplicitCapacity(size+1);
            //2. 使用下标进行赋值
            elementData[size++] = o;
        }
        private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity){
        
            if (size == elementData.length){
        
                // 需要扩容,扩容1.5倍(ArrayList默认扩容1.5倍)
                // 注意：如果oldCapacity值为1
                int oldCapacity = elementData.length;
                int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
                // 如果新容量 < 最小容量， 则将最小容量赋值给新容量
                // 如果 oldCapacity=1, 则 minCapacity=1+1=2   newCapacity=1+(1>>1)=1
                if (newCapacity - minCapacity < 0){
        
                    newCapacity = minCapacity;
                }
                // 创建新数组
                Object[] objects = new Object[newCapacity];
                // 将数据复制给新数组
                System.arraycopy(elementData, 0, objects, 0, elementData.length);
                // 修改引用
                elementData = objects;
            }
        }
        public Object get(int index) {
        
            rangeCheck(index);
            return elementData[index];
        }
        private void rangeCheck(int index) {
        
            if (index >= size)
                throw new IndexOutOfBoundsException("下标越界");
        }
    
        /**
         * 通过下标删除
         * @param index
         * @return
         */
        public Object remove(int index) {
        
            rangeCheck(index);
    
    //        modCount++;
            // 先查出元素
            Object oldValue = elementData[index];
            // 找出置换结束位置
            int numMoved = size - index - 1;
            if (numMoved > 0)
                // 从 index+1 开始 将值覆盖为 index-numMoved 的值
                System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
            elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
    
            return oldValue;
        }
        public boolean remove(Object o) {
        
                for (int index = 0; index < size; index++){
        
                    if (o.equals(elementData[index])) {
        
                        remove(index);
                        return true;
                    }
                }
            return false;
        }
    }

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