【08期】ArrayList常见面试题
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。
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 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。
- 获取当前数组长度=>oldCapacity
- 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。
- 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。 - 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。
- 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);
}
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：
- 如果集合添加元素成功后，集合中的实际元素个数。
- 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。
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。
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：
- 因为其底层是数组，所以修改和查询效率高。
- 可自动扩容(1.5倍)。
缺点：
- 插入和删除效率不高。
- 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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