送分题，ArrayList 的扩容机制了解吗？

March 26, 2021

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最近在准备暑期实习嘛，所以面经刷的比较多，前几天看见一位上岸的小伙伴写的面经，他说他在整理回顾知识点的时候（一般都用思维导图吧），会把知识点写成疑问句的形式，而不是陈述句，这样你在看到这句话的时候，会去主动的思考，而不是背诵。我这几天做下来发现确实是这样，这里安利给各位小伙伴。另外，本篇文章也会以问答的形式引导全文的走向。

1. ArrayList 了解过吗？它是啥？有啥用?

众所周知，Java 集合框架拥有两大接口 Collection 和 Map，其中，Collection 麾下三生子 List、Set 和 Queue。ArrayList 就实现了 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：

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。

2. ArrayList 如何指定底层数组大小的？

OK，首先，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：

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。看下图：

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：

3. 数组的大小一旦被规定就无法改变，那 ArrayList 是怎么对底层数组进行扩容的？

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：

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

说实话，别的都不用看了，看上面图中的黄色框框就知道 ArrayList 是怎么扩容的了：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。

举个例子画个图来演示一下：

4. 既然扩容发生在添加数据的时候，讲讲 ArrayList 具体是怎么添加数据的

OK，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：

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

解释一下上面代码中 arraycopy 的意思，举个例子，我们想要在 index = 5 的位置插入元素，首先，我们会复制一遍源数组 elementData（这里我们称复制的数组为新数组吧），然后把源数组中从 index = 5 的位置开始到数组末尾的元素，放到新数组的 index + 1 = 6 的位置上：

于是，这就给我们要新增的元素腾出了位置，然后在新数组 index = 5 的位置放入元素 element 就完成了添加的操作：

显然，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：

5. ArrayList 又是如何删除数据的呢？

Ctrl + F 找到 remove 方法，就这？和添加一个道理，也是复制数组

举个例子，假设我们要删除数组的 index = 5 的元素，首先，我们会复制一遍源数组，然后把源数组中从 index + 1 = 6 的位置开始到数组末尾的元素，放到新数组的 index = 5 的位置上：

也就是说 index = 5 的元素直接被覆盖掉了，给了你被删除的感觉。同样的，它的效率自然也是十分低下的

6. ArrayList 是线程安全的吗？不安全的表现

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：

黄色框里的并不是一个原子操作，它由两步操作构成：

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。

上段代码验证下：

结果和我们分析的一样：

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 ：

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。

7. 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。

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