本文介绍

1、ArrayList相关面试题。
2、ArrayList基本信息。
3、ArrayList属性和方法。
4、ArrayList的总结。
5、ArrayList最佳实践。

相关面试题

ArrayList 插入删除一定慢么？
ArrayList 是如何扩容的？
ArrayList允许空值和重复元素吗？
ArrayList 的遍历和LinkedList遍历性能比较如何？

学习过Java的多多少少都会对ArrayList有一些了解，先不要急于往下看内容，先把上面几个小测试题写写，能写多少尽量写多少。

概述

ArrayList是一种变长的集合类，基于定长数组实现。因底层数据结构是数组，它是占据一块连续的内存空间，所以它也有数组的缺点，空间效率不高。同样底层数据结构是数组，直接通过下标查找元素时，时间复杂度为O(1)。根据元素内容查找时，时间复杂度为O(n)。
ArrayList 允许空值和重复元素，当往 ArrayList 中添加的元素数量大于其底层数组容量时，其会通过扩容机制重新生成一个更大的数组。
ArrayList 是非线程安全类，并发环境下，多个线程同时操作 ArrayList，会引发不可预知的错误。

ArrayList类关系图

ArrayList 继承AbstractList，实现了List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable接口。
ArrayList 实现List接口，即提供相关的添加、删除、修改、遍历功能。
ArrayList 实现RandmoAccess接口，即提供随机访问功能。
ArrayList 实现Cloneable接口，即覆盖了函数clone()，能被克隆。
ArrayList 实现Serializable接口，这意味着ArrayList支持序列化。

下面让我们翻开ArrayList的源代码，看看一些常用的方法属性，以及一些需要注意的地方。

属性

ArrayList属性主要就是当前数组长度size，以及存放数组的对象elementData数组，除此之外还有一个经常用到的属性就是从AbstractList继承过来的modCount属性，代表ArrayList集合的修改次数。

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, Serializable {
    // 序列化id
    private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;
    // 默认初始的容量
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
    // 一个空对象
    private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
    // 一个空对象，如果使用默认构造函数创建，则默认对象内容默认是该值
    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
    // 当前数据对象存放地方，当前对象不参与序列化
    transient Object[] elementData;
    // 当前数组长度
    private int size;
    // 数组最大长度
    private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
}

一些测试

最大容量测试 添加值测试

构造函数

无参构造函数

如果不传入参数，则使用默认无参构建方法创建ArrayList对象，如下：

public ArrayList() {
    // 将空串赋值给elementData
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

注意：此时我们创建的ArrayList对象中的elementData中的长度是0，size是0,当进行第一次add的时候，elementData将会修改成默认的长度：10

带int类型的构造函数

如果传入参数，则代表指定ArrayList的初始数组长度，传入参数如果是大于等于0，则使用用户的参数初始化，如果用户传入的参数小于0，则抛出异常，构造方法如下：

public ArrayList(int initialCapacity) {
    if (initialCapacity > 0) { // 如果初始容量大于0，则新建一个长度为initialCapacity的Object数组.
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
    } else if (initialCapacity == 0) { // 如果容量为0，直接将EMPTY_ELEMENTDATA赋值给elementData
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    } else { // 容量小于0，直接抛出异常，把所有情况都考虑周到
        throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                           initialCapacity);
    }
}

带Collection对象的构造函数

public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
    // 将collection对象转换成数组，然后将数组的地址的赋给elementData
    elementData = c.toArray();
    // 因size代表的是集合元素数量，所以通过别的集合来构造ArrayList时，要给size赋值
    if ((size = elementData.length) != 0) {
        // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
        if (elementData.getClass() != Object[].class) // 当c.toArray出错，没有返回Object[]，将集合c中的元素到elementData数组中
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
    } else {
        //如果集合c元素数量为0，则将空数组EMPTY_ELEMENTDATA赋值给elementData 
        // replace with empty array.
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
}

add方法

add的方法有两个，一个是带一个参数的，一个是带两个参数的，下面我们一个个讲解。

add(E e) 方法

add主要的执行逻辑如下：
1）确保数组已使用长度（size）加1之后足够存下 下一个数据
2）修改次数modCount 标识自增1，如果当前数组已使用长度（size）加1后的大于当前的数组长度，则调用grow方法，增长数组，grow方法会将当前数组的长度变为原来容量的1.5倍。

添加元素方法入口：

public boolean add(E e) {
    // 确保数组已使用长度（size）加1之后足够存下 下一个数据
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    // 在数组末尾存放新的元素，并修改size
    elementData[size++] = e;
    // 成功返回true
    return true;
}

确保添加的元素有地方存储，当第一次添加元素的时候this.size+1 的值是1，所以第一次添加的时候会将当前elementData数组的长度变为10：

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    // 判断数组是否是用默认构造函数初始化的
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }

    ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}

将修改次数（modCount）自增1，判断是否需要扩充数组长度,判断条件就是用当前所需的数组最小长度与数组的长度对比，如果大于0，则增长数组长度。

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    // 修改modCount
    modCount++;

    // overflow-conscious code
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);
}

如果当前的数组已使用空间（size）加1之后 大于数组长度，则增大数组容量，扩大为原来的1.5倍。

private void grow(int minCapacity) {
    // overflow-conscious code
    int oldCapacity = elementData.length;
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // 默认扩容为原大小的1.5位
    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);
}

add(int index, E element)方法

这个方法其实和上面的add类似，该方法可以按照元素的位置，指定位置插入元素，具体的执行逻辑如下：
1）确保数插入的位置小于等于当前数组长度，并且不小于0，否则抛出异常
2）确保数组已使用长度（size）加1之后足够存下 下一个数据
3）修改次数（modCount）标识自增1，如果当前数组已使用长度（size）加1后的大于当前的数组长度，则调用grow方法，增长数组
4）grow方法会将当前数组的长度变为原来容量的1.5倍。
5）确保有足够的容量之后，使用System.arraycopy 将需要插入的位置（index）后面的元素统统往后移动一位。
6）将新的数据内容存放到数组的指定位置（index）上

public void add(int index, E element) {
    // 范围检查
    rangeCheckForAdd(index);

    // Increments modCount!!
    ensureCapacityInternal(size + 1); 

    // 将index位置开始的数据 向后移动一位 
    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                     size - index);
    elementData[index] = element;
    size++;
}

注意：使用该方法的话将导致指定位置后面的数组元素全部重新移动，即往后移动一位。

get方法

返回指定位置上的元素，数组下标从0开始。

public E get(int index) {
    // 检查范围，判断下标是否越界
    rangeCheck(index);
    // 返回数组下标对应内容
    return elementData(index);
}

E elementData(int index) {
    return (E) elementData[index];
}

set方法

确保set的位置小于当前数组的长度（size）并且大于0，获取指定位置（index）元素，然后放到oldValue存放，将需要设置的元素放到指定的位置（index）上，然后将原来位置上的元素oldValue返回给用户。

public E set(int index, E element) {
    // 检查范围，判断下标是否越界
    rangeCheck(index);

    E oldValue = elementData(index);
    elementData[index] = element;
    return oldValue;
}

contains方法

调用indexOf方法，遍历数组中的每一个元素作对比，如果找到对于的元素，则返回true，没有找到则返回false。

public boolean contains(Object o) {
    return indexOf(o) >= 0;
}

// for循环寻找值，null做为特殊值区别开来查找
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;
}

remove方法

根据索引remove

public E remove(int index) {
    // 检查索引有没有越界
    rangeCheck(index);
    // 自增修改次数
    modCount++;
    // 暂存旧值
    E oldValue = elementData(index);

    // 将指定位置（index）上的元素都往前移动一位
    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
    // 返回旧值
    return oldValue;
}

注意：调用这个方法不会缩减数组的长度，只是将最后一个数组元素置空而已。

根据对象remove

循环遍历所有对象，得到对象所在索引位置，然后调用fastRemove方法，执行remove操作

// 循环查找元素，找到后移除该元素
public boolean remove(Object o) {
    if (o == null) {
        for (int index = 0; index < size; index++)
            if (elementData[index] == null) {
                fastRemove(index);
                return true;
            }
    } else {
        for (int index = 0; index < size; index++)
            if (o.equals(elementData[index])) {
                fastRemove(index);
                return true;
            }
    }
    return false;
}

定位到需要remove的元素索引，先将index后面的元素往前面移动一位（调用System.arraycooy实现），然后将最后一个元素置空。

private void fastRemove(int index) {
    modCount++;
    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
}

clear方法

添加操作次数（modCount），将数组内的元素都置空，等待垃圾收集器收集，不减小数组容量。

public void clear() {
    modCount++;

    // clear to let GC do its work
    for (int i = 0; i < size; i++)
        elementData[i] = null; //将所有元素置null

    size = 0;
}

sublist方法

我们看到代码中是创建了一个ArrayList 类里面的一个内部类SubList对象，传入的值中第一个参数时this参数，其实可以理解为返回当前list的部分视图，真实指向的存放数据内容的地方还是同一个地方，如果修改了sublist返回的内容的话，那么原来的list也会变动。

public List<E> subList(int fromIndex, int toIndex) {
    // 范围检查
    subListRangeCheck(fromIndex, toIndex, size);
    return new SubList(this, 0, fromIndex, toIndex);
}

trimToSize方法

将elementData中空余的空间（包括null值）去除，例如：数组长度为10，其中只有前三个元素有值，其他为空，那么调用该方法之后，数组的长度变为3.

public void trimToSize() {
    modCount++;
    if (size < elementData.length) {
        elementData = (size == 0)
          ? EMPTY_ELEMENTDATA
          : Arrays.copyOf(elementData, size);
    }
}

iterator方法

interator方法返回的是一个内部类，由于内部类的创建默认含有外部的this指针，所以这个内部类可以调用到外部类的属性。

public Iterator<E> iterator() {
    return new Itr();
}

一般的话，调用完iterator之后，我们会使用iterator做遍历，这里使用next做遍历的时候有个需要注意的地方，就是调用next的时候，可能会引发ConcurrentModificationException，当修改次数，与期望的修改次数（调用iterator方法时候的修改次数）不一致的时候，会发生该异常，详细我们看一下代码实现：

@SuppressWarnings("unchecked")
public E next() {
    checkForComodification();
    int i = cursor;
    if (i >= size)
        throw new NoSuchElementException();
    Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
    if (i >= elementData.length)
        throw new ConcurrentModificationException();
    cursor = i + 1;
    return (E) elementData[lastRet = i];
}

expectedModCount这个值是在用户调用ArrayList的iterator方法时候确定的，但是在这之后用户add，或者remove了ArrayList的元素，那么modCount就会改变，那么这个值就会不相等，将会引发ConcurrentModificationException异常，这个是在多线程使用情况下，比较常见的一个异常。

final void checkForComodification() {
    if (modCount != expectedModCount)
        throw new ConcurrentModificationException();
}

System.arraycopy 方法

参数 说明
src 原数组
srcPos 原数组
dest 目标数组
destPos 目标数组的起始位置
length 要复制的数组元素的数目

Arrays.copyOf方法

original - 要复制的数组
newLength - 要返回的副本的长度
newType - 要返回的副本的类型

其实Arrays.copyOf底层也是调用System.arraycopy实现的源码如下：

//基本数据类型（其他类似byte，short···）
public static int[] copyOf(int[] original, int newLength) {
    int[] copy = new int[newLength];
    System.arraycopy(original, 0, copy, 0,
                     Math.min(original.length, newLength));
    return copy;
}

总结

ArrayList总体来说比较简单，不过ArrayList还有以下一些特点：
ArrayList自己实现了序列化和反序列化的方法，因为它自己实现了 private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)和 private void readObject(java.io.ObjectInputStream s) 方法
ArrayList基于数组方式实现，无容量的限制（会扩容）
添加元素时可能要扩容（所以最好预判一下），删除元素时不会减少容量（若希望减少容量，trimToSize()），删除元素时，将删除掉的位置元素置为null，下次gc就会回收这些元素所占的内存空间。
add(int index, E element)：添加元素到数组中指定位置的时候，需要将该位置及其后边所有的元素都整块向后复制一位
get(int index)：获取指定位置上的元素时，可以通过索引直接获取（O(1)）
remove(Object o)：需要遍历数组
remove(int index)：不需要遍历数组，只需判断index是否符合条件即可，效率比remove(Object o)高
contains(E)：需要遍历数组
使用iterator遍历可能会引发多线程异常

最佳实践

1、适合用于查询修改多，增加删除少的业务中。如：后台管理系统数据分页展示页面、商城商品分页展示页面，从数据库中查询一批数据后需由容器装载传输到前端。此时用ArrayList来装载商品数据最适合不过。
2、创建容器时指定初始容器大小，如：后台管理系统数据分页展示页面，一页展示15条数据，如果不指定容器大小，默认10，查询15条数据还需要扩一次容，累不累？
3、new ArrayList时增加泛型，目的是为了安全。如以下代码

// 添加泛型的list
List<String> list = new ArrayList();
list.add("a");
list.add("b");
list.add("c");
list.add(1);// 此处会报编译错误

// 未添加范型的list
List list1 = new ArrayList();
list1.add("a"); // 编译通过
list1.add(1); // 编译通过
list1.add(0.5f); // 编译通过

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引文

ArrayList源码分析（基于JDK8）
https://blog.csdn.net/fighterandknight/article/details/61240861

面试必备：ArrayList源码解析（JDK8）
https://blog.csdn.net/zxt0601/article/details/77281231