DEBUG ArrayList

noneplus發表於2020-07-18

1，ArrayList面試必問

  • 說說ArrayList和LinkedList的區別？

    ArrayList基於陣列實現，LinkedList基於連結串列實現，不同的資料結構決定了ArrayList查詢效率比較高，而LinkedList插入刪除效率比較高，反過來就比較慢了。

  • ArrayList預設初始容量為多少？按照幾倍來擴容？

    10，1.5倍。

  • 說說陣列擴容的原理？

    ArrayList擴容呼叫的是Array.copyof函式，把老陣列遍歷賦值給新陣列返回。

  • 說說ArrayList常見方法的時間複雜度？

    • get方法通過下標獲取元素，時間複雜度為O（1）
    • add方法直接新增會新增到集合的尾部，時間複雜度為O（1）
    • add方法通過下標新增到非尾部會引起陣列的批量移動，時間複雜度為O（n），否則為O（1）
    • remove方法通過下標刪除非尾部元素引起陣列批量移動，時間複雜度為O（n），反之則為O（1）
    • remove方法根據物件刪除需要遍歷集合，時間複雜度為O（n），如果刪除的為非尾部元素，會使陣列批量移動，時間複雜度為O（n^2）

    總之，通過下標操作的時間複雜度為O（1），如果觸發了陣列的批量移動，時間複雜度為O（n），如果通過物件操作需要遍歷集合，時間複雜度已經為O（n），若同時觸發了陣列的移動，時間複雜度為O（n^2）.

  • ArrayList和vector的區別

    • 最大的區別在於執行緒是否安全
    • 其次Vector是兩倍擴容
    • 最後就是在不指定大小的情況下，ArrayList容量初始化是在新增元素的時候，而Vector有一個無參構造器直接初始化為10

2，Debug ArrayList原始碼

由於1.7和1.8幾乎沒什麼變化，本文以jdk1.8為例。

2.1 用Debug分析一個元素是如何add進ArrayList

編寫測試用例，打上斷點：

image-20200718134052340

先分析建構函式如何初始化，關鍵步驟如下：

image-20200718134136152

elementData是ArraList底層陣列的實現，（ps：hashMap陣列使用table命名）

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DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA表示預設的空陣列，也就是說ArrayList在建構函式初始化時並不會進行底層陣列的初始化。

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給元素的新增打上斷點，分析過程：

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進入add方法內部：

public boolean add(E e) {
		//確保內部容量，在元素新增進來前可能要進行擴容操作，size初始化為0，表示集合的長度
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        //新增元素，size自增
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }

進入ensureCapacityInternal方法內部：此時elementData為空，size+1=minCapacity=1

ensureExplicitCapacity：確保明確的能力

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計算容量，calculateCapacity方法：

private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
	//判斷陣列是否為空，若為空，返回預設容量和最小容量的最大值，若不為空，返回最小容量
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    return minCapacity;
}

DEFAULT_CAPACITY預設容量為10：

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繼續分析，進入：

ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));此時引數為10，也就是ArrayList的預設容量

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

    //如果最小容量減去陣列長度大於0，進行擴容，此時最小容量為10，陣列長度為0
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);
}

核心擴容函式grow：（ps：HashMap中擴容函式為resize）

private void grow(int minCapacity) {
    //oldCapacity：舊陣列容量
    int oldCapacity = elementData.length;
   
   //新容量等於舊容量加上舊容量的一半,>>1相當於除以2（ArrayList擴容是1.5倍）
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    
    //新容量小於最小容量，則賦值為最小容量，此時newCapacity等於0，minCapacity為10
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
        
    //MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    //賦值給新陣列
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

陣列複製Arrays.copyOf：

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2.2 用Debug分析如何通過陣列下標獲取ArrayList元素

打上斷點，debug：

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首先進行範圍檢查，而後返回元素

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2.3 用Debug分析如何通過陣列下標刪除一個元素

打上斷點：

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進入remove方法內部，

 public E remove(int index) {
 		//下標範圍檢查
        rangeCheck(index);
		//修改次數自增
        modCount++;
        //保留當前刪除元素的值，稍後返回
        E oldValue = elementData(index);
		//需要移動元素的個數
        int numMoved = size - index - 1;
        if (numMoved > 0)
        //底層使用native方法，debug進不去。native方法：java呼叫其他語言的介面
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                             numMoved);
        //最後一位置空                     
        elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
		//返回刪除元素的值
        return oldValue;
    }

2.4 用Debug分析如何通過物件刪除一個元素

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進入remove方法：

public boolean remove(Object o) {
//如果物件為空，則遍歷ArrayList集合
        if (o == null) {
            for (int index = 0; index < size; index++)
                if (elementData[index] == null) {
                    fastRemove(index);
                    return true;
                }
        } else {
        //不為空，也遍歷
            for (int index = 0; index < size; index++)
                if (o.equals(elementData[index])) {
                    fastRemove(index);
                    return true;
                }
        }
        return false;
    }

進入fastRemove方法：

 private void fastRemove(int index) {
        modCount++;
        
        //numMoved：需要移動陣列的個數
        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分析向陣列中間新增元素

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進入add方法

public void add(int index, E element) {
	//下標範圍檢查
    rangeCheckForAdd(index);
	//確保容量大小
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    
    //移動陣列位置
    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                     size - index);
    //賦值給陣列
    elementData[index] = element;
    //元素個數增加
    size++;
}

關於System.arraycopy時間複雜度問題，在新增或者刪除最後一個元素的時候不會觸發陣列的複製機制，時間複雜度為O（1），若是新增到陣列中間，由於會觸發陣列的複製，時間複雜度為O（n）。對於刪除元素同樣，根據陣列下標刪除的情況下，刪除尾部元素是不會觸發陣列的擴容機制的，若刪除中間的元素，同樣會觸發陣列的複製。若根據物件刪除元素，由於本身遍歷到物件的時間複雜度為O（n），刪除元素後再對陣列進行重組，所以時間複雜度為O（n^2）。

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