【Java集合源码】关于ArrayList的几个问题

1.说说对 ArrayList 的理解?

ArrayList 内容很多,可以先从总体架构入手,然后再以某个细节作为突破口,比如这样:ArrayList 底层数据结构是个数组,其 API 都做了一层对数组底层访问的封装,比如说 add 方法的过程是……(这里具体可以参考 ArrayList 源码分析中 add 的过程)。

另外,对 LinkedList 的理解也是同样套路。

2.扩容相关问题

2.1 ArrayList 无参数构造器构造,现在 add 一个值进去,此时数组的大小是多少,下一次扩容前最大可用大小是多少?

答:此处数组的大小是 1,下一次扩容前最大可用大小是 10,因为 ArrayList 第一次扩容时,是有默认值的,默认值是 10,在第一次 add 一个值进去时,数组的可用大小被扩容到 10 了。

2.2 如果连续往 list 里面新增值,增加到第 11 个的时候,数组的大小是多少?

答:这里实际问的是扩容的公式,当增加到 11 的时候,此时我们希望数组的大小为 11,但实际上数组的最大容量只有 10,不够了就需要扩容,扩容的公式是:oldCapacity + (oldCapacity>> 1),oldCapacity 表示数组现有大小,目前场景计算公式是:10 + 10 /2 = 15,然后我们发现 15 已经够用了,所以数组的大小会被扩容到 15。

2.3 数组初始化,被加入一个值后,如果使用 addAll 方法,一下子加入 15 个值,那么最终数组的大小是多少?

答:在上一题中已经计算出来数组在加入一个值后,实际大小是 1,最大可用大小是 10 ,现在需要一下子加入 15 个值,那我们期望数组的大小值就是 16,此时数组最大可用大小只有 10,明显不够,需要扩容,扩容后的大小是:10 + 10 /2 = 15,这时候发现扩容后的大小仍然不到我们期望的值 16,这时候源码中有一种策略如下:

// newCapacity 本次扩容的大小,minCapacity 我们期望的数组最小大小
// 如果扩容后的值 < 我们的期望值,我们的期望值就等于本次扩容的大小
if (newCapacity - minCapacity < 0)
    newCapacity = minCapacity;

所以最终数组扩容后的大小为 16。具体源码请参考ArrayList 源码分析的grow方法。

2.4 现在有一个很大的数组需要拷贝,原数组大小是 5k,请问如何快速拷贝?

答:因为原数组比较大,如果新建新数组的时候,不指定数组大小的话,就会频繁扩容,频繁扩容就会有大量拷贝的工作,造成拷贝的性能低下,所以在新建数组时,指定新数组的大小为 5k 即可。

2.5 为什么说扩容会消耗性能?

答:扩容底层使用的是 System.arraycopy 方法,会把原数组的数据全部拷贝到新数组上,所以性能消耗比较严重。

2.6 源码扩容过程有什么值得借鉴的地方?

答:有两点:

  • 扩容的思想值得学习,通过自动扩容的方式,让使用者不用关心底层数据结构的变化,封装得很好,1.5 倍的扩容速度,可以让扩容速度在前期缓慢上升,在后期增速较快,大部分工作中要求数组的值并不是很大,所以前期增长缓慢有利于节省资源,在后期增速较快时,也可快速扩容。
  • 扩容过程中,有数组大小溢出的意识,比如要求扩容后的数组大小,不能小于 0,不能大于 Integer 的最大值。

3. 删除相关问题

3.1 有一个 ArrayList,数据是 2、3、3、3、4,中间有三个 3,现在通过 for (int i=0;i<list.size ();i++) 的方式,想把值是 3 的元素删除,请问可以删除干净么?最终删除的结果是什么,为什么?删除代码如下:

List<String> list = new ArrayList<String>() {
    
    {
    
    
  add("2");
  add("3");
  add("3");
  add("3");
  add("4");
}};
for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
    
    
  if (list.get(i).equals("3")) {
    
    
    list.remove(i);
  }
}

答:不能删除干净,最终删除的结果是 2、3、4,有一个 3 删除不掉,原因我们看下图:
图片描述从图中我们可以看到,每次删除一个元素后,该元素后面的元素就会往前移动,而此时循环的 i 在不断地增长,最终会使每次删除 3 的后一个 3 被遗漏,导致删除不掉。

3.2 还是上面的 ArrayList 数组,我们通过增强 for 循环进行删除,可以么?

答:不可以,会报错。因为增强 for 循环过程其实调用的就是迭代器的 next () 方法,当你调用 list.remove () 方法进行删除时,modCount 的值会 +1,而这时候迭代器中的 expectedModCount 的值却没有变,导致在迭代器下次执行 next () 方法时,expectedModCount != modCount 就会报 ConcurrentModificationException 的错误。

3.3 还是上面的数组,如果删除时使用 Iterator.remove () 方法可以删除么,为什么?

答:可以的,因为 Iterator.remove () 方法在执行的过程中,会把最新的 modCount 赋值给 expectedModCount,这样在下次循环过程中,modCount 和 expectedModCount 两者就会相等。

3.4 以上三个问题对于 LinkedList 也是同样的结果么?

答:是的,虽然 LinkedList 底层结构是双向链表,但对于上述三个问题,结果和 ArrayList 是一致的。

4.与LinkedList对比的问题

4.1 ArrayList 和 LinkedList 有何不同?

答:可以先从底层数据结构开始说起,然后以某一个方法为突破口深入,比如:

  • 最大的不同是两者底层的数据结构不同,ArrayList 底层是数组,LinkedList 底层是双向链表
  • 两者的数据结构不同也导致了操作的 API 实现有所差异,拿新增实现来说,ArrayList 会先计算并决定是否扩容,然后把新增的数据直接赋值到数组上,而 LinkedList 仅仅只需要改变插入节点和其前后节点的指向位置关系即可。

4.2 ArrayList 和 LinkedList 应用场景有何不同?

答:

  • ArrayList 更适合于快速的查找匹配,不适合频繁新增删除,像工作中经常会对元素进行匹配查询的场景比较合适
  • LinkedList 更适合于经常新增和删除,对查询反而很少的场景。

4.3 ArrayList 和 LinkedList 两者有没有最大容量?

答:

  • ArrayList 有最大容量的,为 Integer 的最大值,大于这个值 JVM 是不会为数组分配内存空间的
  • LinkedList 底层是双向链表,理论上可以无限大。但源码中,LinkedList 实际大小(size)用的是 int 类型,这也说明了 LinkedList 不能超过 Integer 的最大值,不然会溢出。

4.4 ArrayList 和 LinkedList 是如何对 null 值进行处理的?

答:

  • ArrayList 允许 null 值新增,也允许 null 值删除。删除 null 值时,是从头开始,找到第一值是 null 的元素删除
  • LinkedList 新增删除时对 null 值没有特殊校验,是允许新增和删除的。

5.线程安全问题

5.1 ArrayList 和 LinedList 是线程安全的么,为什么?

答:

  • 当两者作为非共享变量时,比如说仅仅是在方法里面的局部变量时,是没有线程安全问题的,只有当两者是共享变量时,才会有线程安全问题。
  • 主要的问题点在于多线程环境下,所有线程任何时刻都可对数组和链表进行操作,这会导致值被覆盖,甚至混乱的情况。就像ArrayList 自身的 elementData、size、modConut 在进行各种操作时,都没有加锁,而且这些变量的类型并非是可见(volatile)的,所以如果多个线程对这些变量进行操作时,可能会有值被覆盖的情况。

如果有线程安全问题,在迭代的过程中,会频繁报 ConcurrentModificationException 的错误,意思是在我当前循环的过程中,数组或链表的结构被其它线程修改了

5.2 如何解决线程安全问题?

答:Java 源码中推荐使用 Collections#synchronizedList 进行解决,Collections#synchronizedList 的返回值是 List 的每个方法都加了 synchronized 锁,保证了在同一时刻,数组和链表只会被一个线程所修改,但是性能大大降低,具体实现源码:

public boolean add(E e) {
    
    
    synchronized (mutex) {
    
    // synchronized 是一种轻量锁,mutex 表示一个当前 SynchronizedList
        return c.add(e);
    }
}

另外,还可以采用 JUC 的 CopyOnWriteArrayList 并发 List 来解决。

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