ArrayList

zhuib 2025/6/14 集合

# ArrayList 知识体系与面试精讲

# 一、ArrayList 概述

ArrayList 是 Java 集合框架中常用的动态数组，它实现了 List 接口，并基于数组实现。ArrayList 提供了动态调整大小的功能，可以根据需要自动增加容量。

关键特性：

动态数组： 内部基于数组实现，可以动态调整大小。
有序性： ArrayList 中的元素是有序的，按照插入顺序存储。
允许重复元素： ArrayList 允许存储重复的元素。
允许 null： ArrayList 允许存储 null 元素。
非线程安全： ArrayList 不是线程安全的，如果需要在多线程环境中使用，可以考虑使用 CopyOnWriteArrayList 或使用 Collections.synchronizedList(new ArrayList(...)) 进行包装。
随机访问效率高： 通过索引访问元素的时间复杂度为 O(1)。
插入和删除效率较低： 在中间位置插入或删除元素的时间复杂度为 O(n)，因为需要移动后续元素。

# 二、ArrayList 核心概念

内部数组： 用于存储元素的数组。
容量 (Capacity)： 内部数组的长度，表示 ArrayList 最多可以存储多少个元素。
大小 (Size)： ArrayList 中实际存储的元素数量。
扩容 (Resize)： 当 ArrayList 中的元素数量超过容量时，需要进行扩容，创建一个新的更大的数组，并将所有元素复制到新数组中。

# 三、ArrayList 源码分析 (JDK 8)

数据结构： 数组

transient Object[] elementData; // 存储元素的数组
private int size; // 实际存储的元素数量

构造函数：

public ArrayList() {
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA; // 初始容量为 0
}

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);
    }
}

public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
    elementData = c.toArray();
    if ((size = elementData.length) != 0) {
        // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
        if (elementData.getClass() != Object[].class)
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
    } else {
        // replace with empty array.
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
}

add(E e) 方法：
1. 检查是否需要扩容，如果需要，则进行扩容。
2. 将元素添加到数组的末尾。
3. 将 size 加 1。
add(int index, E element) 方法：
1. 检查索引是否越界。
2. 检查是否需要扩容，如果需要，则进行扩容。
3. 将索引位置及后续的元素向后移动一位。
4. 将元素添加到指定索引位置。
5. 将 size 加 1。
get(int index) 方法：
1. 检查索引是否越界。
2. 返回指定索引位置的元素。
remove(int index) 方法：
1. 检查索引是否越界。
2. 将索引位置后续的元素向前移动一位。
3. 将数组末尾的元素设置为 null，以便垃圾回收。
4. 将 size 减 1。
resize() 方法 (ensureCapacityInternal, grow)： ArrayList 没有直接名为 resize() 的方法，但是通过 ensureCapacityInternal() 和 grow() 方法实现扩容。
1. 计算新的容量，通常是旧容量的 1.5 倍。
2. 创建一个新的更大的数组。
3. 将所有元素复制到新数组中。

# 四、ArrayList 面试题及详细回答

1. ArrayList 的底层实现是什么？

回答： ArrayList 底层是基于数组实现的动态数组。它维护了一个内部数组 elementData，用于存储元素。

2. ArrayList 和 LinkedList 的区别？

回答：
- 底层实现： ArrayList 基于数组实现，LinkedList 基于链表实现。
- 随机访问： ArrayList 支持高效的随机访问，时间复杂度为 O(1)。LinkedList 不支持高效的随机访问，需要从头节点或尾节点开始遍历，时间复杂度为 O(n)。
- 插入和删除： 在中间位置插入和删除元素时，ArrayList 的效率较低，因为需要移动后续元素，时间复杂度为 O(n)。LinkedList 的插入和删除效率较高，只需要修改指针，时间复杂度为 O(1)。
- 内存占用： ArrayList 需要连续的内存空间，可能会造成内存浪费。LinkedList 不需要连续的内存空间，可以更灵活地利用内存。
- 线程安全： ArrayList 和 LinkedList 都是非线程安全的。
- 总结： 如果需要频繁进行随机访问，则应该选择 ArrayList。如果需要频繁进行插入和删除操作，则应该选择 LinkedList。

3. ArrayList 是线程安全的吗？如果不是，如何解决线程安全问题？

回答： ArrayList 不是线程安全的。如果需要在多线程环境中使用 ArrayList，可以考虑以下解决方案：
- 使用 Collections.synchronizedList(new ArrayList<>())： 将 ArrayList 包装成一个线程安全的 List。但这种方式的效率较低，因为它是通过对整个 List 进行加锁来实现线程安全的。
- 使用 CopyOnWriteArrayList： CopyOnWriteArrayList 是一个线程安全的 List，它使用了写时复制（Copy-On-Write）技术。当修改 CopyOnWriteArrayList 时，会创建一个新的数组，并将所有元素复制到新数组中。然后，将新数组赋值给 elementData 字段。这样可以保证在修改 CopyOnWriteArrayList 时，不会影响到其他线程的读取操作。 CopyOnWriteArrayList 适用于读多写少的场景。

4. ArrayList 的扩容机制是什么？

回答： 当 ArrayList 中的元素数量超过容量时，就会进行扩容。扩容的过程如下：
1. 计算新的容量，通常是旧容量的 1.5 倍。（(oldCapacity + (oldCapacity >> 1))）
2. 创建一个新的更大的数组。
3. 将所有元素复制到新数组中。

5. ArrayList 的初始容量是多少？

回答： 在 JDK 8 中，ArrayList 的默认初始容量为 0。第一次添加元素时，才会将容量扩容到10。

6. 为什么 ArrayList 的初始容量是 0？

回答： 这样做的好处是可以节省内存空间。如果一开始就分配 10 个元素的空间，但是实际上只存储了少量元素，就会造成内存浪费。当真正需要存储元素时，才会进行扩容，分配必要的内存空间。

7. ArrayList 的扩容因子是多少？

回答： ArrayList 没有直接定义扩容因子，但扩容后的容量通常是旧容量的 1.5 倍。可以认为1.5是其扩容因子。

8. 如何避免 ArrayList 频繁扩容？

回答： 为了避免 ArrayList 频繁扩容，可以在创建 ArrayList 时指定合适的初始容量。如果知道 ArrayList 大概会存储多少个元素，可以将初始容量设置为略大于预期元素数量的值。这样可以减少扩容次数，提高性能。

9. ArrayList 的 remove(Object o) 方法是如何工作的？

回答： remove(Object o) 方法的工作原理如下：
1. 遍历 ArrayList 中的所有元素。
2. 使用 equals() 方法比较要删除的元素 o 和 ArrayList 中的每个元素。
3. 如果找到相等的元素，则将该元素从 ArrayList 中删除，并将后续元素向前移动一位。
4. 如果找到多个相等的元素，则只删除第一个找到的元素。
5. 如果 ArrayList 中不存在要删除的元素，则不进行任何操作。

10. ArrayList 的 clear() 方法是如何工作的？

回答： clear() 方法的工作原理如下：
1. 将 ArrayList 中的所有元素设置为 null。
2. 将 size 设置为 0。这样做可以帮助垃圾回收器回收 ArrayList 中存储的元素，释放内存空间。

11. ArrayList 和 Vector 的区别？

回答：
- 线程安全： ArrayList 不是线程安全的，Vector 是线程安全的。
- 扩容： ArrayList 扩容后的容量通常是旧容量的 1.5 倍，Vector 扩容后的容量通常是旧容量的 2 倍。
- 性能： 在单线程环境下，ArrayList 的效率通常比 Vector 高。因为Vector是同步的，存在锁的开销。

12. 使用 ArrayList 有什么注意事项？

回答：
- 线程安全： 在多线程环境下使用 ArrayList 时，需要注意线程安全问题。可以使用 Collections.synchronizedList(new ArrayList<>()) 或 CopyOnWriteArrayList 来解决线程安全问题。
- 内存占用： ArrayList 需要连续的内存空间，可能会造成内存浪费。如果需要存储大量数据，并且对内存占用比较敏感，可以考虑使用 LinkedList。
- 扩容： 扩容是一个比较耗时的操作，应该尽量避免频繁扩容。在创建 ArrayList 时，可以指定合适的初始容量，以减少扩容次数。
- 索引越界： 访问 ArrayList 中的元素时，需要注意索引越界问题。应该确保索引值在 0 到 size - 1 的范围内。
- 基本类型： ArrayList 只能存储对象，不能直接存储基本类型。如果需要存储基本类型，可以使用基本类型的包装类，例如 Integer、Double 等。

13. 为什么 ArrayList 实现了 RandomAccess 接口？

回答： RandomAccess 接口是一个标记接口，用于表明一个 List 实现支持快速随机访问。实现了 RandomAccess 接口的 List，在使用索引访问元素时，性能会更好。ArrayList 实现了 RandomAccess 接口，表明它支持快速随机访问，通过索引访问元素的时间复杂度为 O(1)。实现了RandomAccess接口的List，在使用迭代器遍历时，可以优先选择基于索引的迭代方式，以提高性能。

14. ArrayList 在什么场景下不适合使用？

回答：
- 频繁的插入和删除操作： 如果需要在 List 的中间位置频繁进行插入和删除操作，ArrayList 的性能会比较差，因为需要移动大量的元素。此时，LinkedList 是一个更好的选择。
- 存储大量小对象： 由于 ArrayList 需要存储对象的引用，并且数组需要占用连续的内存空间，因此当存储大量小对象时，ArrayList 的内存占用可能会比较高。此时，可以使用专门针对小对象存储优化的数据结构，或者考虑使用基本类型的数组。
- 严格的实时性要求： ArrayList 的扩容操作可能会导致性能抖动，如果对实时性有严格的要求，需要避免频繁的扩容。可以通过设置合适的初始容量来减少扩容次数，或者考虑使用其他数据结构。

15. ArrayList 如何实现 Fail-Fast 机制？

回答： ArrayList 通过 modCount 字段来实现 Fail-Fast 机制。
- modCount 字段用于记录 ArrayList 的修改次数，每次对 ArrayList 进行结构性修改（例如添加、删除元素）时，modCount 的值都会增加。
- 在创建迭代器时，会将当前的 modCount 值赋值给迭代器的 expectedModCount 字段。
- 在迭代过程中，如果发现 modCount 的值与 expectedModCount 的值不相等，则说明 ArrayList 在迭代过程中被其他线程修改了，此时会抛出 ConcurrentModificationException 异常，提示用户 ArrayList 已经被并发修改。
- Fail-Fast 机制可以帮助开发者快速发现并发修改问题，避免出现数据不一致的情况。需要注意的是，Fail-Fast 机制并不能保证完全避免并发修改问题，它只是一种尽力而为的机制。

# 五、总结

ArrayList 是 Java 集合框架中常用的动态数组，掌握 ArrayList 的知识对于理解 Java 集合框架和编写高效的 Java 代码至关重要。在面试中，ArrayList 也是一个常见的考点，需要掌握 ArrayList 的底层实现、特点、扩容机制、线程安全问题等。希望本文能够帮助你更好地理解 ArrayList，并在面试中取得好成绩。

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# ArrayList 知识体系与面试精讲

# 一、ArrayList 概述

# 二、ArrayList 核心概念

# 三、ArrayList 源码分析 (JDK 8)

# 四、ArrayList 面试题及详细回答

# 五、总结