万万没想到!!! 谷歌面试原来也问ArrayList

本文转载自微信公众号「稀饭下雪」，作者帅气的小饭饭 。转载本文请联系稀饭下雪公众号。

前几天H同学和我聊了下去谷歌的面试经验，令我诧异的是，没想到谷歌也问ArrayList???

仔细一想也正常，毕竟集合是Java程序员逃不掉的金光咒。

看文章前可以先看看以下几个问题，如果觉得莫得问题，可以直接跳过该篇文章了，不用浪费大家时间。

• ArrayList使用无参构造函数的时候什么时候进行扩容?
• 说说看ArrayList是扩容的时候是怎么复制数组的?
• ArrayList遍历删除的时候会触发什么机制?为什么用迭代器遍历删除不会?

好了，接下来继续聊聊高频面试题 ArrayList。

ArrayList的扩容机制

// 存储数组元素的缓冲区 
transient Object[] elementData; 
// 默认空数组元素 
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {}; 
// 默认初始化容量 
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10; 
// 数组的大小 
private int size; 
// 记录被修改的次数 
protected transient int modCount = 0; 
// 数组的最大值 
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8 

底层ArrayList使用数组实现，不设置的话，默认初始容量为10

// 数组扩容方法 
// minCapacity = size + 1 
private int newCapacity(int minCapacity) { 
    // 当前数组长度 
    int oldCapacity = elementData.length; 
    // 新的数组容量 = 旧数组长度 + 旧数组长度 / 2  
    // oldCapacity = 10   oldCapacity >> 1   --- 5 
    // 例如10的二进制为 :  0000 1010 >> 1  ----->  0000 0101 = 5 
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); 
    if (newCapacity - minCapacity <= 0) { 
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) 
            // 如果一开始没有定义初始容量这时newCapacity=0,返回默认容量10 
            // 可以得出当无参new 一个ArrayList()时候，这个ArrayList()为空集合，size为0 
            return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity); 
        if (minCapacity < 0) // overflow 
            throw new OutOfMemoryError(); 
        return minCapacity; 
    } 
    return (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE <= 0) 
        ? newCapacity    // 这里返回的长度为原数组的1.5倍 
        : hugeCapacity(minCapacity); 
} 

当增加元素的时候发现底层数组的需要的容量(size+1)大于数组的容量的时候，就会触发扩容，在首次调用add()方法之后，返回一个容量为10的数组，后面每次扩容后新数组的长度为原数组长度的 「1.5」 倍，并调用底层原生的System.arraycopy将旧数组的数据copy到新的数组中，完成整个扩容。

所以日常开发中，在知道初始值的时候先设置初始值，因为扩容是比较耗性能的。

「不用脑子的总结：首次扩容为10 ，后面每次扩容为原数组的1.5倍，调用底层原生的System.arraycopy将旧数组的数据copy到新的数组中，完成整个扩容。」

ArrayList添加元素与扩容

ArrayList.add(E e)源码：

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

add()中elementData[size++] = e很好理解，就是将元素插入第size个位置，然后将size++，我们重点来看看ensureCapacityInternal(size + 1)方法;

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) { 
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) { 
        minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity); 
    } 
    ensureExplicitCapacity(minCapacity); 
} 

ensureCapacityInternal()方法中判断缓存变量elementData是否为空，也就是判断是否是第一次添加元素，如果是第一次添加元素，则设置初始化大小为默认容量10，否则为传入的参数。这个方法的目的就是「获取初始化数组容量」。获取到初始化容量后调用ensureExplicitCapacity(minCapacity)方法;

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

ensureExplicitCapacity(minCapacity)方法用来判断是否需要扩容，假如第一次添加元素，minCapacity为10，elementData容量为0，那么就需要去扩容。调用grow(minCapacity)方法。

// 数组的最大容量 
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8; 
 
private void grow(int minCapacity) { 
    // overflow-conscious code 
    int oldCapacity = elementData.length; 
    // 扩容大小为原来数组长度的1.5倍 
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); 
    // 扩容容量比需要扩容的长度小，则使用需要扩容的容量 
    if (newCapacity - minCapacity < 0) 
        newCapacity = minCapacity; 
    // 扩容容量比最大数组长度大，则使用最大整数长度 
    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); 
} 

grow(minCapacity)方法对数组进行扩容，扩容大小为原数组的1.5倍，如果计算出的扩容容量比需要的容量小，则扩容大小为需要的容量，可以看到，第一次扩容的时候其实是10。如果扩容容量比数组最大容量大，则调用hugeCapacity(minCapacity)方法，将数组扩容为整数的最大长度，然后将elemetData数组指向新扩容的内存空间并将元素复制到新空间，这里使用的是 Arrays.copyOf(elementData, newCapacity)

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; 
} 

可以看到底层使用的是System.arraycopy，而这个copy的过程是比较耗性能的，因此建议初始化时预估一个容量大小。

「不用脑子的总结：用无参构造函数创建ArrayList后进行第一次扩容容量是10，后续则是1.5倍，底层调用的是System.arraycopy，而这个copy的过程是比较耗性能的，因此建议初始化时预估一个容量大小。」

ArrayList删除元素

ArrayList提供两种删除元素的方法，可以通过索引和元素进行删除。两种删除大同小异，删除元素后，将后面的元素一次向前移动。

ArrayList.remove(int index)源码：

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; 
} 

删除元素时，首先会判断索引是否大于ArrayList的大小，如果索引范围正确，则将索引位置的下一个元素赋值到索引位置，将ArrayList的大小-1，最后返回移除的元素。

「不用脑子的总结：删除后底层调用的依旧是System.arraycopy，而这个copy的过程是比较耗性能的，因此才说频繁增删的尽量别用ArrayList。」

ArrayList遍历删除

@Override 
public void forEach(Consumer<? super E> action) { 
    Objects.requireNonNull(action); 
    // 预设值了一个expectedModCount值 
    final int expectedModCount = modCount; 
    @SuppressWarnings("unchecked") 
    final E[] elementData = (E[]) this.elementData; 
    final int size = this.size; 
    // 遍历过程中拿出来判断 
    for (int i=0; modCount == expectedModCount && i < size; i++) { 
        action.accept(elementData[i]); 
    } 
    // 如果对不上则报错 
    if (modCount != expectedModCount) { 
        throw new ConcurrentModificationException(); 
    } 
} 

public E remove(int index) {  
    rangeCheck(index);  
 // 修改了modCount  
    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;  
}  

从代码就可以看出来了，在遍历的时候会率先 预设值了一个expectedModCount值，然后再遍历拿出来判断，如果不一样了，则中断流程并且报错，而这个过程则涉及到了快速失败机制了，正常来说，ArrayList不允许遍历删除。

「不用脑子的总结：ArrayList通过预设值expectedModCount实现了快速失败机制，避免了多线程遍历删除或者增加，以及遍历过程中增删元素。」

集合的快速失败(fail-fast)

它是 Java 集合的一种错误检测机制，当多个线程对集合进行结构上的改变操作时，有可能会产生 fail-fast 机制。

迭代器在遍历时直接访问集合中的内容，并且在遍历过程中使用一个 modCount 变量。集合在被遍历期间如果内容发生变化，就会改变modCount的值。每当迭代器使用hashNext()/next()遍历下一个元素之前，都会检测modCount变量是否为expectedmodCount值，是的话就返回遍历;否则抛出异常，终止遍历。

注意：这里异常的抛出条件是检测到 modCount!=expectedmodCount 这个条件。如果集合发生变化时修改modCount值刚好又设置为了expectedmodCount值，则异常不会抛出。因此，不能依赖于这个异常是否抛出而进行并发操作的编程，这个异常只建议用于检测并发修改的bug。

场景：java.util包下的集合类都是快速失败的，不能在多线程下发生并发修改(迭代过程中被修改)。

「不用脑子的总结：我们日常看到的Concurrent Modification Exception，其实就是触发了快速失败机制的表现，做法也很简单：在遍历的时候给你给modCount设置个备份expectedModCount，如果有多线程在搞，那么必定会导致modCount被改，那么就容易了，每次遍历的时候都检测下modCount变量是否为expectedModCount就可以了，如果不是意味着被改了，那我就不管，我就要报错。」

集合的安全失败(fail-safe)

采用安全失败机制的集合容器，在遍历时不是直接在集合内容上访问的，而是先复制原有集合内容，在拷贝的集合上进行遍历。

原理：由于迭代时是对原集合的拷贝进行遍历，所以在遍历过程中对原集合所作的修改并不能被迭代器检测到，所以不会触发Concurrent Modification Exception。

缺点：基于拷贝内容的优点是避免了Concurrent Modification Exception，但同样地，迭代器并不能访问到修改后的内容，即：迭代器遍历的是开始遍历那一刻拿到的集合拷贝，在遍历期间原集合发生的修改迭代器是不知道的。

场景：java.util.concurrent包下的容器都是安全失败，可以在多线程下并发使用，并发修改。

「不用记忆的总结：那么为啥并发容器的时候不怕呢?简单，因为采用了安全失败机制，在遍历的时候直接拷贝了一份出来，这样就不会触发了。」

使用ArrayList的subList()需要注意的地方

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

SubList(AbstractList<E> parent,int offset,int fromIndex,int toIndex) { 
            this.parent = parent; 
            this.parentOffset = fromIndex; 
            this.offset = offset + fromIndex; 
            this.size = toIndex - fromIndex; 
            this.modCount = ArrayList.this.modCount; 
} 

subList()返回结果不可强制转为ArrayList类型，因为该方法实质是创建一个内部类SubList实例，这个SubList是AbstractList的实现类，并不继承于ArrayList。

通过上面源码可以看出，通过parent属性指定父类并直接引用了原有的List，并返回该父类的部分视图，只是指定了他要使用的元素的范围fromIndex(包含)，endIndex(不包含)。

那么，如果对其原有或者子List做数据性修改，则会互相影响。如果对原有List进行结构性修改，则会踩坑Fast-fail，报错会抛出异常ConcurrentModification Exception。

ArrayList迭代器

看下迭代器的遍历和删除相关的源码

public boolean hasNext() { 
    return cursor != size; 
} 
 
@SuppressWarnings("unchecked") 
public E next() { 
    // 同样判断modCount != expectedModCount，不同则报错 
    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]; 
} 
 
public void remove() { 
    if (lastRet < 0) 
        throw new IllegalStateException(); 
    checkForComodification(); 
 
    try { 
        ArrayList.this.remove(lastRet); 
        cursor = lastRet; 
        lastRet = -1; 
        // 这里删除后会重新复制一次 
        expectedModCount = modCount; 
    } catch (IndexOutOfBoundsException ex) { 
        throw new ConcurrentModificationException(); 
    } 
} 

通过代码我们也可以看出ArrayList的迭代器是支持遍历删除的，因为在删除后会重新赋一次值给expectedModCount。

ArrayList和LinkedList的优劣

其实就是数组和链表的优劣势，ArrayList优点，支持随机访问，get(i)的时间复杂度为O(1)，而缺点就是需要扩容，要复制数组，而且内部插入数据需要移动数据，插入删除的性能差;

对于LinkedList来说，优点就是容量理论上来说是无限，不存在扩容，而且可以很方便的插入和删除数据(性能损失在查找)，而缺点就是不能随机访问，get(i)需要遍历。 

貌似就是反过来的，所以在实际开发中也很容易区别，看是查找频繁、还是增删频繁，如果是查找频繁就用ArrayList，如果增删频繁就用LinkedList即可。