吊打面试官之 ArrayList 详解


ArrayList 概述

ArrayList 实现了 List 接口,其实就是一个数组列表,不过作为 Java 的集合框架,它只能存储对象引用类型,也就是说当我们需要装载的数据是诸如 intfloat 等基本数据类型的时候,必须把它们转换成对应的包装类。

ArrayList 的底层实现是一个 Object 数组:

transient Object[] elementData;

既然它是基于数组实现的,数组在内存空间中是连续分配的,那必然查询速率非常快,不过当然也肯定逃不过增删效率低的缺陷。

另外,和 ArrayList 一样同样实现了 List 接口的、我们比较常用的还有 LinkedListLinkedList 比较特殊,它不仅实现了 List 接口,还实现了 Queue 接口,所以你可以看见 LinkedList 经常被当作队列使用:

Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();

LinkedList 人如其名,它的底层自然是基于链表的,而且还是个双向链表。链表的特性和数组正好是反的,由于没有索引,所以查询效率低,但是增删速度快。

ArrayList 如何指定底层数组大小的

既然咱真正存储数据的地方是数组,那我们初始化 ArrayList 的时候自然要给数组分配一个大小,开辟一个内存空间。我们先来看看 ArrayList 的无参构造函数:

public ArrayList() {
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

可以看到,它为底层的 Object 数组也就是 elementData 赋值了一个默认的空数组DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA。也就是说,使用无参构造函数初始化 ArrayList 后,它当时的数组容量为 0 。

这给咱初始化一个容量为 0 的数组有啥用?啥也存不了啊?别急,如果使用了无参构造函数来初始化ArrayList, 只有当我们真正对数据进行添加操作 add 时,才会给数组分配一个默认的初始容量DEFAULT_CAPACITY = 10,源码如下:

public void add(int index, E element) {
        rangeCheckForAdd(index);
    	// 第一步
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index);
        elementData[index] = element;
        size++;
}

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    // 第二步
    ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}
    
private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        // 第三步
        return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    return minCapacity;
}
// 初始容量
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

说完了无参构造,ArrayList 的有参构造函数就是中规中矩了,按照用户传入的大小开辟数组空间:

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);
    }
}

扩容机制

ArrayList 的底层实现是 Object 数组,我们知道,数组的大小一旦被规定就无法改变。那如果我们不断的往里面添加数据的话,ArrayList 是如何进行扩容的呢?或者说 ArrayList 是如何实现存放任意数量对象的呢?

OK,扩容发生在啥时候?那肯定是我们往数组中新加入一个元素但是发现数组满了的时候。没错,我们去 add 方法中看看 ArrayList 是怎么做扩容的:

public void add(int index, E element) {
        rangeCheckForAdd(index);
    	// 第一步
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index);
        elementData[index] = element;
        size++;
}

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    // 第二步
    ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}

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

ensureExplicitCapacity 判断是否需要进行扩容,很显然,grow 方法是扩容的关键:

private void grow(int minCapacity) {
    // overflow-conscious code
    int oldCapacity = elementData.length;
    // 关键步骤
    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);
}

看上面代码的关键步骤就知道怎么扩容的了:扩容后的数组长度 = 当前数组长度 + 当前数组长度 / 2。最后使用 Arrays.copyOf 方法直接把原数组中的数组 copy 过来,需要注意的是,Arrays.copyOf 方法会创建一个新数组然后再进行拷贝。

添加数据

add 方法我们刚刚讲了一半,添加数据前会先判断一下是否需要扩容,真正的添加数据的操作在下半部分:

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++;
}

先讲下 add(int index, E element) 这个方法的含义,就是在指定索引 index 处插入元素 element。比如说 ArrayList.add(0, 3),意思就是在头部插入元素 3。

再来看看 add 方法的核心 System.arraycopy,这个方法有 5 个参数:

  • elementData:源数组
  • index:从源数组中的哪个位置开始复制
  • elementData:目标数组
  • index + 1:复制到目标数组中的哪个位置
  • size - index:要复制的源数组中数组元素的数量

不用多说,ArrayList 的将数据插入到指定位置的操作性能非常低下,因为要开辟新数组复制元素啊,要是涉及到扩容那就更慢了。另外,ArrayList 还内置了一个直接在末尾添加元素的 add 方法,不用复制数组,直接 size ++ 就好,这个方法应该是我们最常使用的:

public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

删除元素

删除元素就是 remove 方法,源码如下:

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; // clear to let GC do its work
    return oldValue;
}

也很简单,就是将原数组复制一份,然后把原数据中从 index + 1到数组末尾的元素,放到新数组的 index 位置上,将index上的元素覆盖,就给你你被删除了的感觉,效率也是释放低下的。

线程安全问题

ArrayListLinkedList 都不是线程安全的,我们以在末尾添加元素的 add 方法为例,来看看 ArrayList 线程不安全的表现是啥:

public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    // 关键代码
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

上面的关键代码并不是原子操作,而是由两步操作构成:

elementData[size] = e;
size = size + 1;

在单线程执行这两条代码时,那当然没有任何问题,但是当多线程环境下执行时,可能就会发生一个线程添加的值覆盖另一个线程添加的值。举个例子:

  1. 假设 size = 0,我们要往这个数组的末尾添加元素
  2. 线程 A 开始添加一个元素,值为 A。此时它执行第一条操作,将 A 放在了数组 elementData 下标为 0 的位置上
  3. 接着线程 B 刚好也要开始添加一个值为 B 的元素,且走到了第一步操作。此时线程 B 获取到的 size 值依然为 0,于是它将 B 也放在了 elementData 下标为 0 的位置上
  4. 线程 A 开始增加 size 的值,size = 1
  5. 线程 B 开始增加 size 的值,size = 2

这样,线程 A、B 都执行完毕后,理想的情况应该是 size = 2,elementData[0] = A,elementData[1] = B。而实际情况变成了 size = 2,elementData[0] = B(线程 B 覆盖了线程 A 的操作),下标 1 的位置上什么都没有。并且后续除非我们使用 set 方法修改下标为 1 的值,否则这个位置上将一直为 null,因为在末尾添加元素时将会从 size = 2 的位置上开始。

ArrayList 的线程安全版本是 Vector,它的实现很简单,就是把所有的方法统统加上 synchronized

public synchronized void addElement(E obj) {
    modCount++;
    ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
    elementData[elementCount++] = obj;
}

既然它需要额外的开销来维持同步锁,所以理论上来说它要比 ArrayList 要慢。为什么线程不安全还要用它呢?

因为在大多数场景中,查询的情况居多,不会涉及太频繁的增删。那如果真的涉及频繁的增删,可以使用LinkedList,底层链表实现,为增删而生。而如果你非得保证线程安全那就使用 Vector。当然实际开发中使用最多的还是 ArrayList,虽然线程不安全、增删效率低,但是查询效率高啊。

引用:

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI0NDc3ODE5OQ==&mid=2247486005&idx=1&sn=b46cc073886c334f21e5b78c021b9da3&chksm=e959df8dde2e569bacb9f22f90a1cc852aee4755b43be322535cf6186aec66ee9ee2192e3834&scene=178&cur_album_id=1683346627601743872#rd


文章作者: Gtwff
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