DEBUG ArrayList

1，ArrayList面试必问

• 说说ArrayList和LinkedList的区别？

  ArrayList基于数组实现，LinkedList基于链表实现，不同的数据结构决定了ArrayList查询效率比较高，而LinkedList插入删除效率比较高，反过来就比较慢了。

• ArrayList默认初始容量为多少？按照几倍来扩容？

  10，1.5倍。

• 说说数组扩容的原理？

  ArrayList扩容调用的是Array.copyof函数，把老数组遍历赋值给新数组返回。

• 说说ArrayList常见方法的时间复杂度？

  • get方法通过下标获取元素，时间复杂度为O（1）
  • add方法直接添加会添加到集合的尾部，时间复杂度为O（1）
  • add方法通过下标添加到非尾部会引起数组的批量移动，时间复杂度为O（n），否则为O（1）
  • remove方法通过下标删除非尾部元素引起数组批量移动，时间复杂度为O（n），反之则为O（1）
  • remove方法根据对象删除需要遍历集合，时间复杂度为O（n），如果删除的为非尾部元素，会使数组批量移动，时间复杂度为O（n^2）

  总之，通过下标操作的时间复杂度为O（1），如果触发了数组的批量移动，时间复杂度为O（n），如果通过对象操作需要遍历集合，时间复杂度已经为O（n），若同时触发了数组的移动，时间复杂度为O（n^2）.

• ArrayList和vector的区别

  • 最大的区别在于线程是否安全
  • 其次Vector是两倍扩容
  • 最后就是在不指定大小的情况下，ArrayList容量初始化是在添加元素的时候，而Vector有一个无参构造器直接初始化为10

2，Debug ArrayList源码

由于1.7和1.8几乎没什么变化，本文以jdk1.8为例。

2.1 用Debug分析一个元素是如何add进ArrayList

编写测试用例，打上断点：

先分析构造函数如何初始化，关键步骤如下：

elementData是ArraList底层数组的实现，（ps：hashMap数组使用table命名）

DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA表示默认的空数组，也就是说ArrayList在构造函数初始化时并不会进行底层数组的初始化。

给元素的添加打上断点，分析过程：

进入add方法内部：

public boolean add(E e) {
		//确保内部容量，在元素添加进来前可能要进行扩容操作，size初始化为0，表示集合的长度
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        //添加元素，size自增
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }

进入ensureCapacityInternal方法内部：此时elementData为空，size+1=minCapacity=1

ensureExplicitCapacity：确保明确的能力

计算容量，calculateCapacity方法：

private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
	//判断数组是否为空，若为空，返回默认容量和最小容量的最大值，若不为空，返回最小容量
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    return minCapacity;
}

DEFAULT_CAPACITY默认容量为10：

继续分析，进入：

ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));此时参数为10，也就是ArrayList的默认容量

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;   //集合的修改次数

    //如果最小容量减去数组长度大于0，进行扩容，此时最小容量为10，数组长度为0
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);
}

核心扩容函数grow：（ps：HashMap中扩容函数为resize）

private void grow(int minCapacity) {
    //oldCapacity：旧数组容量
    int oldCapacity = elementData.length;
   
   //新容量等于旧容量加上旧容量的一半,>>1相当于除以2（ArrayList扩容是1.5倍）
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    
    //新容量小于最小容量，则赋值为最小容量，此时newCapacity等于0，minCapacity为10
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
        
    //MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    //赋值给新数组
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

数组复制Arrays.copyOf：

2.2 用Debug分析如何通过数组下标获取ArrayList元素

打上断点，debug：

首先进行范围检查，而后返回元素

2.3 用Debug分析如何通过数组下标删除一个元素

打上断点：

进入remove方法内部，

public E remove(int index) {
 		//下标范围检查
        rangeCheck(index);
		//修改次数自增
        modCount++;
        //保留当前删除元素的值，稍后返回
        E oldValue = elementData(index);
		//需要移动元素的个数
        int numMoved = size - index - 1;
        if (numMoved > 0)
        //底层使用native方法，debug进不去。native方法：java调用其他语言的接口
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                             numMoved);
        //最后一位置空                     
        elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
		//返回删除元素的值
        return oldValue;
    }

2.4 用Debug分析如何通过对象删除一个元素

进入remove方法：

public boolean remove(Object o) {
//如果对象为空，则遍历ArrayList集合
        if (o == null) {
            for (int index = 0; index < size; index++)
                if (elementData[index] == null) {
                    fastRemove(index);
                    return true;
                }
        } else {
        //不为空，也遍历
            for (int index = 0; index < size; index++)
                if (o.equals(elementData[index])) {
                    fastRemove(index);
                    return true;
                }
        }
        return false;
    }

进入fastRemove方法：

private void fastRemove(int index) {
        modCount++;
        
        //numMoved：需要移动数组的个数
        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 wrk
    }

2.5 用Debug分析向数组中间添加元素

进入add方法

public void add(int index, E element) {
	//下标范围检查
    rangeCheckForAdd(index);
	//确保容量大小
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    
    //移动数组位置
    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                     size - index);
    //赋值给数组
    elementData[index] = element;
    //元素个数增加
    size++;
}

关于System.arraycopy时间复杂度问题，在添加或者删除最后一个元素的时候不会触发数组的复制机制，时间复杂度为O（1），若是添加到数组中间，由于会触发数组的复制，时间复杂度为O（n）。对于删除元素同样，根据数组下标删除的情况下，删除尾部元素是不会触发数组的扩容机制的，若删除中间的元素，同样会触发数组的复制。若根据对象删除元素，由于本身遍历到对象的时间复杂度为O（n），删除元素后再对数组进行重组，所以时间复杂度为O（n^2）。