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4.ArrayList 扩容机制与 Fail-Fast 原理

news 2025/11/10 8:44:31

ArrayList 扩容机制与 Fail-Fast 原理

🚀 高频指数：★★★★★
🎯 你将收获：ArrayList 内部结构、扩容策略、源码分析、fail-fast 机制与项目实践。

一、面试常见问法

💬 面试官：

ArrayList 的默认容量是多少？
扩容时增长多少？
什么是 fail-fast？为什么会抛 ConcurrentModificationException？

这些问题考的是你对 集合源码与线程安全 的理解深度。

二、ArrayList 内部结构

ArrayList 是基于 动态数组实现 的顺序表，支持随机访问，插入删除效率低于 LinkedList。

🔹 源码定义（JDK 8）

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {transient Object[] elementData; // 存储元素private int size;               // 实际元素个数
}

底层是一个 Object[] 数组，随着元素增多自动扩容。

三、初始容量与构造方法

构造方式	初始容量	说明
new ArrayList()	0（懒加载）	第一次添加时初始化为10
new ArrayList(int initialCapacity)	指定容量	避免多次扩容
Arrays.asList()	固定长度	不支持 add/remove

JDK 7 以前默认初始化数组为 10；
JDK 8 之后延迟到第一次 add 时创建。

四、扩容机制详解

🔹 add() 方法核心流程

public boolean add(E e) {ensureCapacityInternal(size + 1); // 确保容量足够elementData[size++] = e;return true;
}

🔹 ensureCapacityInternal()

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {minCapacity = Math.max(10, minCapacity);}ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}

🔹 真正扩容逻辑 grow()

private void grow(int minCapacity) {int oldCapacity = elementData.length;int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // 1.5倍扩容if (newCapacity < minCapacity)newCapacity = minCapacity;elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

✅ 结论：ArrayList 每次扩容 1.5 倍。
旧数组拷贝到新数组（系统级复制，O(n)）。

五、容量设计的取舍

策略	优点	缺点
每次 +1	节省空间	频繁扩容、低效
每次 ×2	减少扩容次数	空间浪费大
每次 ×1.5（ArrayList 采用）	平衡时间与空间	最优综合策略

📌 面试口诀：“空间换时间，一扩一半。”

六、fail-fast 原理

🔹 问题复现

List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("A");
list.add("B");
for (String s : list) {if ("B".equals(s)) list.remove(s); // 抛异常
}

输出：

Exception in thread "main" java.util.ConcurrentModificationException

🔹 原理分析

ArrayList 内部维护一个 modCount（修改次数计数器）。

源码片段：

protected transient int modCount = 0;public E remove(int index) {rangeCheck(index);modCount++;// ...
}

迭代器初始化时，会记录一个期望值：

private class Itr implements Iterator<E> {int expectedModCount = modCount;
}

在遍历时校验：

final void checkForComodification() {if (modCount != expectedModCount)throw new ConcurrentModificationException();
}

🚩 核心机制：结构修改（增删元素）后 modCount 改变 → 触发异常。

七、解决 fail-fast 的三种方式

方案	写法	原理
✅ 使用 Iterator.remove()	在迭代器内部安全删除	同步更新 expectedModCount
✅ 使用 CopyOnWriteArrayList	读写分离	写时复制、线程安全
✅ 使用并发集合类	ConcurrentLinkedQueue 等	无结构修改异常

示例：

Iterator<String> it = list.iterator();
while (it.hasNext()) {if ("B".equals(it.next())) it.remove(); // ✅ 正确
}

八、面试官追问清单

问题	答题要点
ArrayList 初始容量是多少？	第一次添加时初始化为10
扩容策略是什么？	每次扩容为原容量的1.5倍
为什么不是2倍？	兼顾时间与空间效率
fail-fast 是什么？	迭代时结构被修改触发并发修改异常
如何避免？	使用 Iterator.remove 或并发集合

九、项目实践建议

批量添加数据时先 ensureCapacity(size) 避免多次扩容；
高并发场景用 CopyOnWriteArrayList；
频繁插入删除中间元素的场景使用 LinkedList；
扩容会拷贝数组，应避免在大数据循环中反复 add()。

十、口诀记忆

☕️ “扩容一半，拷贝新家；遍历乱改，抛你异常。”

十一、小结

知识点	要点
底层结构	Object[] 动态数组
默认容量	第一次添加时为10
扩容比例	原容量 × 1.5
fail-fast 原理	modCount 检测结构修改
解决方案	Iterator.remove / 并发集合