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 int、float 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 LinkedList。LinkedList 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
ArrayList 和 LinkedList 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：
- 假设 size = 0，我们要往这个数组的末尾添加元素
- 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
- 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
- 线程 A 开始增加 size 的值，size = 1
- 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：
