引言

在Java集合中，ArrayList是最常用到的数据结构，无论是在日常开发还是面试中，但是很多人对它的源码并不了解。下面提问几个问题，检验一下大家对ArrayList的了解程度。

1. 
   
2. ArrayList的初始容量是多少？（90%的人都会答错）
   
3. ArrayList的扩容机制
   
4. 并发修改ArrayList元素会有什么问题
   
5. 如何快速安全的删除ArrayList中的元素
   

接下来一块分析一下ArrayList的源码，看完ArrayList源码之后，可以轻松解答上面四个问题。

简介

ArrayList底层基于数组实现，可以随机访问，内部使用一个Object数组来保存元素。它维护了一个 elementData 数组和一个 size 字段，elementData数组用来存放元素，size字段用于记录元素个数。它允许元素是null，可以动态扩容。

初始化

当我们调用ArrayList的构造方法的时候，底层实现逻辑是什么样的？

// 调用无参构造方法，初始化ArrayList

List<Integer> list1 = new ArraryList<>();

// 调用有参构造方法，初始化ArrayList，指定容量为10

List<Integer> list1 = new ArraryList<>(10);

看一下底层源码实现：

// 默认容量大小
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

// 空数组
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

// 默认容量的数组对象
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

// 存储元素的数组
transient Object[] elementData;

// 数组中元素个数，默认是0
private int size;

// 无参初始化，默认是空数组
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;

}

// 有参初始化，指定容量大小
public ArrayList(int initialCapacity) {
if (initialCapacity > 0) {
// 直接使用指定的容量大小
this.elementData = new Object[initialCapacity];

    } else if (initialCapacity == 0) {
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;

    } else {
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+initialCapacity);

    }

}

可以看到当我们调用ArrayList的无参构造方法 new ArraryList<>() 的时候，只是初始化了一个空对象，并没有指定数组大小，所以初始容量是零。至于什么时候指定数组大小，接着往下看。

添加元素

再看一下往ArrayList种添加元素时，调用的 add() 方法源码：

// 添加元素
public boolean add(E e) {
// 确保数组容量够用，size是元素个数

  ensureCapacityInternal(size + 1);
// 直接在下个位置赋值

  elementData[size++] = e;
return true;

}

// 确保数组容量够用
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {

    ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));

}

// 计算所需最小容量
private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
// 如果数组等于空数组，就设置默认容量为10
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);

    }
return minCapacity;

}

// 确保容量够用
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {

    modCount++;
// 如果所需最小容量大于数组长度，就进行扩容
if (minCapacity - elementData.length > 0)

        grow(minCapacity);

}

看一下扩容逻辑：

// 扩容，就是把旧数据拷贝到新数组里面
private void grow(int minCapacity) {
int oldCapacity = elementData.length;
// 计算新数组的容量大小，是旧容量的1.5倍
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);

// 如果扩容后的容量小于最小容量，扩容后的容量就等于最小容量
if (newCapacity - minCapacity < 0)

    newCapacity = minCapacity;

// 如果扩容后的容量大于Integer的最大值，就用Integer最大值
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)

    newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);

// 扩容并赋值给原数组

  elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);

}

可以看到：

• 
  
• 扩容的触发条件是数组全部被占满
  
• 扩容是以旧容量的1.5倍扩容，并不是2倍扩容
  
• 最大容量是Integer的最大值
  
• 添加元素时，没有对元素校验，允许为null，也允许元素重复。
  

再看一下数组拷贝的逻辑，这里都是Arrays类里面的方法了：

/**

 * @param original  原数组

 * @param newLength 新的容量大小

 */
public static <T> T[] copyOf(T[] original, int newLength) {
return (T[]) copyOf(original, newLength, original.getClass());

}

public static <T,U> T[] copyOf(U[] original, int newLength, Class<? extends T[]> newType) {
// 创建一个新数组，容量是新的容量大小

    T[] copy = ((Object)newType == (Object)Object[].class)

        ? (T[]) new Object[newLength]

        : (T[]) Array.newInstance(newType.getComponentType(), newLength);
// 把原数组的元素拷贝到新数组

    System.arraycopy(original, 0, copy, 0,

                     Math.min(original.length, newLength));
return copy;

}

最终调用了System类的数组拷贝方法，是native方法：

/**

 * @param src     原数组

 * @param srcPos  原数组的开始位置

 * @param dest    目标数组

 * @param destPos 目标数组的开始位置

 * @param length  被拷贝的长度

 */
public static native void arraycopy(Object src,  int  srcPos,

                                    Object dest, int destPos,
int length);

总结一下ArrayList的 add() 方法的逻辑：

1. 
   
2. 检查容量是否够用，如果够用，直接在下一个位置赋值结束。
   
3. 如果是第一次添加元素，则设置容量默认大小为10。
   
4. 如果不是第一次添加元素，并且容量不够用，则执行扩容操作。扩容就是创建一个新数组，容量是原数组的1.5倍，再把原数组的元素拷贝到新数组，最后用新数组对象覆盖原数组。
   

需要注意的是，每次扩容都会创建新数组和拷贝数组，会有一定的时间和空间开销。在创建ArrayList的时候，如果我们可以提前预估元素的数量，最好通过有参构造函数，设置一个合适的初始容量，以减少动态扩容的次数。

删除单个元素

再看一下删除元素的方法 remove() 的源码：

public boolean remove(Object o) {
// 判断要删除的元素是否为null
if (o == null) {
// 遍历数组
for (int index = 0; index < size; index++)
// 如果和当前位置上的元素相等，就删除当前位置上的元素
if (elementData[index] == null) {

                fastRemove(index);
return true;

            }

    } else {
// 遍历数组
for (int index = 0; index < size; index++)
// 如果和当前位置上的元素相等，就删除当前位置上的元素
if (o.equals(elementData[index])) {

                fastRemove(index);
return true;

            }

    }
return false;

}

// 删除该位置上的元素
private void fastRemove(int index) {

    modCount++;
// 计算需要移动的元素的个数
int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0)
// 从index+1位置开始拷贝，也就是后面的元素整体向左移动一个位置

        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
// 设置数组最后一个元素赋值为null，防止会导致内存泄漏

    elementData[--size] = null;

}

删除元素的流程是：

1. 
   
2. 判断要删除的元素是否为null，如果为null，则遍历数组，使用双等号比较元素是否相等。如果不是null，则使用 equals() 方法比较元素是否相等。这里就显得啰嗦了，可以使用 Objects.equals()方法，合并ifelse逻辑。
   
3. 如果找到相等的元素，则把后面位置的所有元素整体相左移动一个位置，并把数组最后一个元素赋值为null结束。
   

可以看到遍历数组的时候，找到相等的元素，删除就结束了。如果ArrayList中存在重复元素，也只会删除其中一个元素。

批量删除

再看一下批量删除元素方法 removeAll() 的源码：

// 批量删除ArrayList和集合c都存在的元素
public boolean removeAll(Collection<?> c) {
// 非空校验

    Objects.requireNonNull(c);
// 批量删除
return batchRemove(c, false);

}

private boolean batchRemove(Collection<?> c, boolean complement){
final Object[] elementData = this.elementData;
int r = 0, w = 0;
boolean modified = false;
try {
for (; r < size; r++)
if (c.contains(elementData[r]) == complement)
// 把需要保留的元素左移

                elementData[w++] = elementData[r];

    } finally {
// 当出现异常情况的时候，可能不相等
if (r != size) {
// 可能是其它线程添加了元素，把新增的元素也左移

            System.arraycopy(elementData, r,

                             elementData, w,

                             size - r);

            w += size - r;

        }
// 把不需要保留的元素设置为null
if (w != size) {
for (int i = w; i < size; i++)

                elementData[i] = null;

            modCount += size - w;

            size = w;

            modified = true;

        }

    }
return modified;

}

批量删除元素的逻辑，并不是大家想象的：

遍历数组，判断要删除的集合中是否包含当前元素，如果包含就删除当前元素。删除的流程就是把后面位置的所有元素整体左移，然后把最后位置的元素设置为null。

这样删除的操作，涉及到多次的数组拷贝，性能较差，而且还存在并发修改的问题，就是一边遍历，一边更新原数组。
批量删除元素的逻辑，设计充满了巧思，具体流程就是：

1. 
   
2. 把需要保留的元素移动到数组左边，使用下标 w 做统计，下标 w 左边的是需要保留的元素，下标 w 右边的是需要删除的元素。
   
3. 虽然ArrayList不是线程安全的，也考虑了并发修改的问题。如果上面过程中，有其他线程新增了元素，把新增的元素也移动到数组左边。
   
4. 最后把数组中下标 w 右边的元素都设置为null。
   

所以当需要批量删除元素的时候，尽量使用 removeAll() 方法，性能更好。

并发修改的问题

当遍历ArrayList的过程中，同时增删ArrayList中的元素，会发生什么情况？测试一下：

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class Test {

public static void main(String[] args) {
// 创建ArrayList，并添加4个元素

        List<Integer> list = new ArrayList<>();

        list.add(1);

        list.add(2);

        list.add(2);

        list.add(3);
// 遍历ArrayList
for (Integer key : list) {
// 判断如果元素等于2，则删除
if (key.equals(2)) {

                list.remove(key);

            }

        }

    }

}

运行结果：

Exception in thread "main" java.util.ConcurrentModificationException

	at java.util.ArrayList$Itr.checkForComodification(ArrayList.java:911)

	at java.util.ArrayList$Itr.next(ArrayList.java:861)

	at com.yideng.Test.main(Test.java:14)

报出了并发修改的错误，ConcurrentModificationException。
这是因为 forEach 使用了ArrayList内置的迭代器，这个迭代器在迭代的过程中，会校验修改次数 modCount，如果 modCount 被修改过，则抛出ConcurrentModificationException异常，快速失败，避免出现不可预料的结果。

// ArrayList内置的迭代器
private class Itr implements Iterator<E> {
int cursor;       
int lastRet = -1; 
int expectedModCount = modCount;

// 迭代下个元素
public E next() {
// 校验 modCount

        checkForComodification();
int i = cursor;
if (i >= size)
throw new NoSuchElementException();

        Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
if (i >= elementData.length)
throw new ConcurrentModificationException();

        cursor = i + 1;
return (E)elementData[lastRet = i];

    }

// 校验 modCount 是否被修改过
final void checkForComodification() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();

    }

}

如果想要安全的删除某个元素，可以使用 remove(int index) 或者 removeIf() 方法。

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class Test {

public static void main(String[] args) {
// 创建ArrayList，并添加4个元素

        List<Integer> list = new ArrayList<>();

        list.add(1);

        list.add(2);

        list.add(2);

        list.add(3);
// 使用 remove(int index) 删除元素
for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
if (list.get(i).equals(2)) {

                list.remove(i);

            }

        }

// 使用removeIf删除元素

        list.removeIf(key -> key.equals(2));

    }


}

总结

现在可以回答文章开头提出的问题了吧：

1. 
   
2. ArrayList的初始容量是多少？
   

答案：初始容量是0，在第一次添加元素的时候，才会设置容量为10。

2. 
   
3. ArrayList的扩容机制
   

答案：

1. 
   
2. 创建新数组，容量是原来的1.5倍。
   
3. 把旧数组元素拷贝到新数组中
   
4. 使用新数组覆盖旧数组对象
   
5. 并发修改ArrayList元素会有什么问题
   

答案：会快速失败，抛出ConcurrentModificationException异常。

4. 
   
5. 如何快速安全的删除ArrayList中的元素
   

答案：使用remove(int index) 、 removeIf() 或者 removeAll() 方法。
我们知道ArrayList并不是线程安全的，原因是它的 add() 、remove() 方法、扩容操作都没有加锁，多个线程并发操作ArrayList的时候，会出现数据不一致的情况。
想要线程安全，其中一种方式是初始化ArrayList的时候使用 Collections.synchronizedCollection() 修饰。这样ArrayList所有操作都变成同步操作，性能较差。还有一种性能较好，又能保证线程安全的方式是使用 CopyOnWriteArrayList，就是下章要讲的。

// 第一种方式，使用 Collections.synchronizedCollection() 修饰

List<Integer> list1 = Collections.synchronizedCollection(new ArrayList<>());

// 第二种方式，使用 CopyOnWriteArrayList

List<Integer> list1 = new CopyOnWriteArrayList<>();