面经手册 · 第7篇《ArrayList也这么多知识？一个指定位置插入就把谢飞机面晕了！》

2022-01-28 05:46:57

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  • 一、前言
  • 二、面试题
  • 三、数据结构
  • 四、源码分析
    • 1. 初始化
    • 2. 插入
    • 3. 删除
    • 4. 扩展
  • 五、总结


一、前言

数据结构是写好代码的基础！

说到数据结构基本包括；数组、链表、队列、红黑树等，但当你看到这些数据结构以及想到自己平时的开发，似乎并没有用到过。那么为什么还要学习数据结构？

其实这些知识点你并不是没有用到的，而是Java中的API已经将各个数据结构封装成对应的工具类，例如ArrayList、LinkedList、HashMap等，就像在前面的章节中，小傅哥写了5篇文章将近2万字来分析HashMap，从而学习它的核心设计逻辑。

可能有人觉得这类知识就像「八股文」，学习只是为了应付面试。如果你真的把这些用于支撑其整个语言的根基当八股文学习，那么硬背下来不会有多少收获。理科学习更在乎逻辑，重在是理解基本原理，有了原理基础就复用这样的技术运用到实际的业务开发。

那么，你什么时候会用到这样的技术呢？就是，当你考虑体量、夯实服务、琢磨性能时，就会逐渐的深入到数据结构以及核心的基本原理当中，那里的每一分深入，都会让整个服务性能成指数的提升。

二、面试题

「谢飞机」，听说你最近在家很努力学习HashMap？那考你个ArrayList知识点????

你看下面这段代码输出结果是什么？

public static void main(String[] args) {
    List<String> list = new ArrayList<String>(10);
    list.add(2, "1");
    System.out.println(list.get(0));
}

嗯？不知道！????眼睛看题，看我脸干啥？好好好，告诉你吧，这样会报错！至于为什么，回家看看书吧。

Exception in thread "main" java.lang.IndexOutOfBoundsException: Index: 2, Size: 0
 at java.util.ArrayList.rangeCheckForAdd(ArrayList.java:665)
 at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:477)
 at org.itstack.interview.test.ApiTest.main(ApiTest.java:13)
Process finished with exit code 1

????谢飞机是懵了，咱们一点点分析ArrayList

三、数据结构

Array + List = 数组 + 列表 = ArrayList = 数组列表

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ArrayList的数据结构是基于数组实现的，只不过这个数组不像我们普通定义的数组，它可以在ArrayList的管理下插入数据时按需动态扩容、数据拷贝等操作。

接下来，我们就逐步分析ArrayList的源码，也同时解答谢飞机的疑问。

四、源码分析

1. 初始化

List<String> list = new ArrayList<String>(10);
public ArrayList() {
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
 /**
  * Constructs an empty list with the specified initial capacity.
  *
  * @param  initialCapacity  the initial capacity of the list
  * @throws IllegalArgumentException if the specified initial capacity
  *         is negative
  */
 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);
     }
 }
  • 通常情况空构造函数初始化ArrayList更常用，这种方式数组的长度会在第一次插入数据时候进行设置。
  • 当我们已经知道要填充多少个元素到ArrayList中，比如500个、1000个，那么为了提供性能，减少ArrayList中的拷贝操作，这个时候会直接初始化一个预先设定好的长度。
  • 另外，EMPTY_ELEMENTDATA 是一个定义好的空对象；private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {}

1.1 方式01；普通方式

ArrayList<String> list = new ArrayList<String>();
list.add("aaa");
list.add("bbb");
list.add("ccc");
  • 这个方式很简单也是我们最常用的方式。

1.2 方式02；内部类方式

ArrayList<String> list = new ArrayList<String>() \\{
    add("aaa");
    add("bbb");
    add("ccc");
\\};
  • 这种方式也是比较常用的，而且省去了多余的代码量。

1.3 方式03；Arrays.asList

ArrayList<String> list = new ArrayList<String>(Arrays.asList("aaa", "bbb", "ccc"));

以上是通过Arrays.asList传递给ArrayList构造函数的方式进行初始化，这里有几个知识点；

1.3.1 ArrayList构造函数
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;
    }
}
  • 通过构造函数可以看到，只要实现Collection类的都可以作为入参。
  • 在通过转为数组以及拷贝Arrays.copyOf到Object[]集合中在赋值给属性elementData。

「注意：c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)」

see 6260652 是JDK bug库的编号，有点像商品sku，bug地址:https://bugs.java.com/bugdatabase/view_bug.do?bug_id=6260652

那这是个什么bug呢，我们来测试下面这段代码；

@Test
public void t(){
    List<Integer> list1 = Arrays.asList(1, 2, 3);
    System.out.println("通过数组转换：" + (list1.toArray().getClass() == Object[].class));
    
    ArrayList<Integer> list2 = new ArrayList<Integer>(Arrays.asList(1, 2, 3));
    System.out.println("通过集合转换：" + (list2.toArray().getClass() == Object[].class));
}

测试结果：

通过数组转换：false
通过集合转换：true
Process finished with exit code 0
  • public Object[] toArray() 返回的类型不一定就是 Object[]，其类型取决于其返回的实际类型，毕竟 Object 是父类，它可以是其他任意类型。
  • 子类实现和父类同名的方法，仅仅返回值不一致时，默认调用的是子类的实现方法。

造成这个结果的原因，如下；

  1. Arrays.asList 使用的是：Arrays.copyOf(this.a, size,(Class<? extends T[]>) a.getClass());
  2. ArrayList 构造函数使用的是：Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
1.3.2 Arrays.asList

「你知道吗？」

  • Arrays.asList 构建的集合，不能赋值给 ArrayList
  • Arrays.asList 构建的集合，不能再添加元素
  • Arrays.asList 构建的集合，不能再删除元素

那这到底为什么呢，因为Arrays.asList构建出来的List与new ArrayList得到的List，压根就不是一个List！类关系图如下；

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小傅哥 bugstack.cn & List类关系图

从以上的类图关系可以看到；

  1. 这两个List压根不同一个东西，而且Arrasys下的List是一个私有类，只能通过asList使用，不能单独创建。
  2. 另外还有这个ArrayList不能添加和删除，主要是因为它的实现方式，可以参考Arrays类中，这部分源码；private static class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements RandomAccess, java.io.Serializable

此外，Arrays是一个工具包，里面还有一些非常好用的方法，例如；二分查找Arrays.binarySearch、排序Arrays.sort等

1.4 方式04；Collections.ncopies

Collections.nCopies 是集合方法中用于生成多少份某个指定元素的方法，接下来就用它来初始化ArrayList，如下；

ArrayList<Integer> list = new ArrayList<Integer>(Collections.nCopies(10, 0));
  • 这会初始化一个由10个0组成的集合。

2. 插入

ArrayList对元素的插入，其实就是对数组的操作，只不过需要特定时候扩容。

2.1 普通插入

List<String> list = new ArrayList<String>();
list.add("aaa");
list.add("bbb");
list.add("ccc");

当我们依次插入添加元素时，ArrayList.add方法只是把元素记录到数组的各个位置上了，源码如下；

/**
 * Appends the specified element to the end of this list.
 *
 * @param e element to be appended to this list
 * @return <tt>true</tt> (as specified by {@link Collection#add})
 */
public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    elementData[size++] = e;
    return true;
}
  • 这是插入元素时候的源码，size++自增，把对应元素添加进去。

2.2 插入时扩容

在前面初始化部分讲到，ArrayList默认初始化时会申请10个长度的空间，如果超过这个长度则需要进行扩容，那么它是怎么扩容的呢？

从根本上分析来说，数组是定长的，如果超过原来定长长度，扩容则需要申请新的数组长度，并把原数组元素拷贝到新数组中，如下图；

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小傅哥 bugstack.cn & 数组扩容

图中介绍了当List结合可用空间长度不足时则需要扩容，这主要包括如下步骤；

  1. 判断长度充足；ensureCapacityInternal(size + 1);
  2. 当判断长度不足时，则通过扩大函数，进行扩容；grow(int minCapacity)
  3. 扩容的长度计算；int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);，旧容量 + 旧容量右移1位，这相当于扩容了原来容量的(int)3/2。4. 10，扩容时：1010 + 1010 >> 1 = 1010 + 0101 = 10 + 5 = 15 2. 7，扩容时：0111 + 0111 >> 1 = 0111 + 0011 = 7 + 3 = 10
  4. 当扩容完以后，就需要进行把数组中的数据拷贝到新数组中，这个过程会用到Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);，但他的底层用到的是；System.arraycopy

「System.arraycopy；」

@Test
public void test_arraycopy() {
    int[] oldArr = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};
    int[] newArr = new int[oldArr.length + (oldArr.length >> 1)];
    System.arraycopy(oldArr, 0, newArr, 0, oldArr.length);
    
    newArr[11] = 11;
    newArr[12] = 12;
    newArr[13] = 13;
    newArr[14] = 14;
    
    System.out.println("数组元素：" + JSON.toJSONString(newArr));
    System.out.println("数组长度：" + newArr.length);
    
    /**
     * 测试结果
     * 
     * 数组元素：[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,0,11,12,13,14]
     * 数组长度：15
     */
}
  • 拷贝数组的过程并不复杂，主要是对System.arraycopy的操作。
  • 上面就是把数组oldArr拷贝到newArr，同时新数组的长度，采用和ArrayList一样的计算逻辑；oldArr.length + (oldArr.length >> 1)

2.3 指定位置插入

list.add(2, "1");

到这，终于可以说说谢飞机的面试题，这段代码输出结果是什么，如下；

Exception in thread "main" java.lang.IndexOutOfBoundsException: Index: 2, Size: 0
 at java.util.ArrayList.rangeCheckForAdd(ArrayList.java:665)
 at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:477)
 at org.itstack.interview.test.ApiTest.main(ApiTest.java:14)

「其实」，一段报错提示，为什么呢？我们翻开下源码学习下。

2.3.1 容量验证
public void add(int index, E element) {
    rangeCheckForAdd(index);
    
    ...
}
private void rangeCheckForAdd(int index) {
    if (index > size || index < 0)
        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
  • 指定位置插入首先要判断rangeCheckForAdd，size的长度。
  • 通过上面的元素插入我们知道，每插入一个元素，size自增一次size++。
  • 所以即使我们申请了10个容量长度的ArrayList，但是指定位置插入会依赖于size进行判断，所以会抛出IndexOutOfBoundsException异常。
2.3.2 元素迁移

3面经手册 · 第7篇《ArrayList也这么多知识？一个指定位置插入就把谢飞机面晕了！》

小傅哥 bugstack.cn & 插入元素迁移

指定位置插入的核心步骤包括；

  1. 判断size，是否可以插入。
  2. 判断插入后是否需要扩容；ensureCapacityInternal(size + 1);。
  3. 数据元素迁移，把从待插入位置后的元素，顺序往后迁移。
  4. 给数组的指定位置赋值，也就是把待插入元素插入进来。

「部分源码：」

public void add(int index, E element) {
 ...
 // 判断是否需要扩容以及扩容操作
 ensureCapacityInternal(size + 1);
    // 数据拷贝迁移，把待插入位置空出来
    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                     size - index);
    // 数据插入操作                  
    elementData[index] = element;
    size++;
}
  • 这部分源码的主要核心是在，System.arraycopy，上面我们已经演示过相应的操作方式。
  • 这里只是设定了指定位置的迁移，可以把上面的案例代码复制下来做测试验证。

「实践：」

List<String> list = new ArrayList<String>(Collections.nCopies(9, "a"));
System.out.println("初始化：" + list);
list.add(2, "b");
System.out.println("插入后：" + list);

「测试结果：」

初始化：[a, a, a, a, a, a, a, a, a]
插入后：[a, a, 1, a, a, a, a, a, a, a]
Process finished with exit code 0
  • 指定位置已经插入元素1，后面的数据向后迁移完成。

3. 删除

有了指定位置插入元素的经验，理解删除的过长就比较容易了，如下图；面经手册 · 第7篇《ArrayList也这么多知识？一个指定位置插入就把谢飞机面晕了！》小傅哥 bugstack.cn & 删除元素

这里我们结合着代码：

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;
}

删除的过程主要包括；

  1. 校验是否越界；rangeCheck(index);
  2. 计算删除元素的移动长度numMoved，并通过System.arraycopy自己把元素复制给自己。
  3. 把结尾元素清空，null。

「这里我们做个例子：」

@Test
public void test_copy_remove() {
    int[] oldArr = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};
    int index = 2;
    int numMoved = 10 - index - 1;
    System.arraycopy(oldArr, index + 1, oldArr, index, numMoved);
    System.out.println("数组元素：" + JSON.toJSONString(oldArr));
}
  • 设定一个拥有10个元素的数组，同样按照ArrayList的规则进行移动元素。
  • 注意，为了方便观察结果，这里没有把结尾元素设置为null。

「测试结果：」

数组元素：[1,2,4,5,6,7,8,9,10,10]
Process finished with exit code 0
  • 可以看到指定位置 index = 2，元素已经被删掉。
  • 同时数组已经移动用元素4占据了原来元素3的位置，同时结尾的10还等待删除。这就是为什么ArrayList中有这么一句代码；elementData[--size] = null

4. 扩展

如果给你一组元素；a、b、c、d、e、f、g，需要你放到ArrayList中，但是要求获取一个元素的时间复杂度都是O(1)，你怎么处理？

想解决这个问题，就需要知道元素添加到集合中后知道它的位置，而这个位置呢，其实可以通过哈希值与集合长度与运算，得出存放数据的下标，如下图；

面经手册 · 第7篇《ArrayList也这么多知识？一个指定位置插入就把谢飞机面晕了！》小傅哥 bugstack.cn & 下标计算

  • 如图就是计算出每一个元素应该存放的位置，这样就可以O(1)复杂度获取元素。

4.1 代码操作(添加元素)

List<String> list = new ArrayList<String>(Collections.<String>nCopies(8, "0"));
list.set("a".hashCode() & 8 - 1, "a");
list.set("b".hashCode() & 8 - 1, "b");
list.set("c".hashCode() & 8 - 1, "c");
list.set("d".hashCode() & 8 - 1, "d");
list.set("e".hashCode() & 8 - 1, "e");
list.set("f".hashCode() & 8 - 1, "f");
list.set("g".hashCode() & 8 - 1, "g");
  • 以上是初始化ArrayList，并存放相应的元素。存放时候计算出每个元素的下标值。

4.2 代码操作(获取元素)

System.out.println("元素集合:" + list);
System.out.println("获取元素f [\"f\".hashCode() & 8 - 1)] Idx：" + ("f".hashCode() & (8 - 1)) + " 元素：" + list.get("f".hashCode() & 8 - 1));
System.out.println("获取元素e [\"e\".hashCode() & 8 - 1)] Idx：" + ("e".hashCode() & (8 - 1)) + " 元素：" + list.get("e".hashCode() & 8 - 1));
System.out.println("获取元素d [\"d\".hashCode() & 8 - 1)] Idx：" + ("d".hashCode() & (8 - 1)) + " 元素：" + list.get("d".hashCode() & 8 - 1));

4.3 测试结果

元素集合:[0, a, b, c, d, e, f, g]
获取元素f ["f".hashCode() & 8 - 1)] Idx：6 元素：f
获取元素e ["e".hashCode() & 8 - 1)] Idx：5 元素：e
获取元素d ["d".hashCode() & 8 - 1)] Idx：4 元素：d
Process finished with exit code 0
  • 通过测试结果可以看到，下标位置0是初始元素，元素是按照指定的下标进行插入的。
  • 那么现在获取元素的时间复杂度就是O(1)，是不有点像HashMap中的桶结构。

五、总结

  • 就像我们开头说的一样，数据结构是你写出代码的基础，更是写出高级代码的核心。只有了解好数据结构，才能更透彻的理解程序设计。并不是所有的逻辑都是for循环
  • 面试题只是引导你学习的点，但不能为了面试题而忽略更重要的核心知识学习，背一两道题是不可能抗住深度问的。因为任何一个考点，都不只是一种问法，往往可以从很多方面进行提问和考查。就像你看完整篇文章，是否理解了没有说到的知识，当你固定位置插入数据时会进行数据迁移，那么在拥有大量数据的ArrayList中是不适合这么做的，非常影响性能。
  • 在本章的内容编写的时候也参考到一些优秀的资料，尤其发现这份外文文档；https://beginnersbook.com/ 大家可以参考学习。
上一篇：面经手册 · 第5篇《看图说话，讲解2-3平衡树「红黑树的前身」》


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