面试基础整理之 ArrayList

一、先把"底层地图"记住（必须能画在白板上）

本质：动态数组（可变长度的数组），内部用 Object[] elementData 存储。
初始容量 ：默认构造器不立刻分配数组（直到首次 add）；new ArrayList<>(initialCapacity) 会分配。JDK 常见实现默认初始容量为 10（在某些场景延迟分配为 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA）。
size 与 capacity ：size 是实际元素数，capacity 是数组长度；size <= capacity。
扩容触发 ：当 size + 1 > elementData.length 时触发扩容。
扩容策略 ：新容量 newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1)（即约 1.5 倍）。
线程：非线程安全；并发修改可能导致数据错乱或抛异常。
Iterator 的 fail-fast ：通过 modCount 记录结构性修改，Iterator 在 next() 时检查 expectedModCount 与 modCount 是否一致，不一致则抛 ConcurrentModificationException。

二、关键方法与伪源码（只看这几段就够问答）

注：下面是简化伪码，掌握核心逻辑与关键行含义即可在面试解释。

1) add(E e)

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public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);
    elementData[size++] = e;
    modCount++;
    return true;
}

ensureCapacityInternal 会判断是否需要扩容，若需要则调用 grow()。

2) grow()

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private void grow(int minCapacity) {
    int oldCap = elementData.length;
    int newCap = oldCap + (oldCap >> 1); // 1.5x
    if (newCap < minCapacity) newCap = minCapacity;
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCap);
}

关键点：使用 Arrays.copyOf 复制旧数组到新数组，时间 O(n)。

3) remove(int index)

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public E remove(int index) {
    rangeCheck(index);
    E oldValue = (E) elementData[index];
    int numMoved = size - index - 1;
    if (numMoved > 0) 
        System.arraycopy(elementData, index + 1, elementData, index, numMoved);
    elementData[--size] = null; // help GC
    modCount++;
    return oldValue;
}

说明：删除中间元素会把后面元素整体左移，时间 O(n)。

4) Iterator (fail-fast 检查)

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public E next() {
    if (modCount != expectedModCount) throw new ConcurrentModificationException();
    return elementData[cursor++];
}

说明：expectedModCount 在 iterator 创建时等于 modCount，若结构变化（add/remove）且不是通过 iterator 自身的 remove，则会检测到并抛异常。

三、面试高频问答与标准答案（可直接背）

下面把常见问题做成一句话 + 展开说明的模板，面试直接背就行。

Q1：ArrayList 底层是什么？优缺点？

一句话： 底层是动态数组，优点是随机访问快（O(1)），缺点是中间插入/删除代价高（O(n)），且扩容和复制耗时。
展开（可讲 2 行）： 随机访问靠索引直接 elementData[i]，时间 O(1)。插入/删除需移动数组元素（System.arraycopy），最差 O(n)。扩容时会分配更大的数组并复制元素，耗时且可能导致短期内内存占用增大。

Q2：扩容机制（什么时候扩容、扩多大、为什么 1.5 倍）？

一句话： 扩容在 add 导致 size > capacity 时触发，常用策略是 new = old + old>>1（1.5 倍）。
展开： 1.5 倍是在时间与空间之间折中：比 2 倍少内存浪费，但比小增量减少扩容次数，降低复制频率。

Q3：为什么不是线程安全？怎么保证线程安全？

一句话： 多线程写会并发修改 elementData 和 size 导致数据竞态与不一致，ArrayList 没有锁。
展开： 若多线程并发 add/resize，会出现覆盖、数据丢失或索引越界。解决方法：Collections.synchronizedList(new ArrayList<>())（外部加锁）或使用 CopyOnWriteArrayList（写时复制，适合读多写少场景）。

Q4：fail-fast 是如何实现的？有什么局限？

一句话： 通过 modCount 和 iterator 的 expectedModCount 对比，检测到并发的结构性修改则抛 ConcurrentModificationException。
展开： fail-fast 只是"侦测"并发修改并快速失败，不保证绝对一致性（不是并发安全策略），只能作为调试/保护机制。

Q5：增删操作的时间复杂度？

add(e)（末尾）：摊销 O(1)
add(index, e) / remove(index)：O(n)（需要移动元素）
get(index)：O(1)
contains(obj)：O(n)

四、白板演示要点（面试展示技巧）

当面试官让你"讲讲 ArrayList"或"画个结构图"：

画一个数组框，标注 elementData，画出 size=4, capacity=8 的样子。
画箭头示范 add（如果 capacity 满了 -> 调用 grow -> 新数组 copy）。
演示 remove(1)：元素 2、3、4 左移并 size--，并说明 elementData[size]=null 用于 GC。
说明 Iterator 如何通过 modCount 检测并发修改（画出 modCount 框和 expectedModCount）。

（这样图文并茂，面试官印象分高）

五、真题/练习题（练习后对答案）

做题可以巩固记忆。下面 6 道题，面试常见。答案写在题后。

练习 1（短答）

ArrayList 和 LinkedList 的 3 个主要区别？
答案要点：内存结构（数组 vs 链表）、随机访问（O(1) vs O(n)）、插入删除（中间插入删除 ArrayList O(n)，LinkedList O(1) 若有节点引用）、空间开销、缓存局部性（数组好）。

练习 2（代码推演）

给定 ArrayList<Integer> a = new ArrayList<>(2); a.add(1); a.add(2); a.add(3); 解释发生了什么。
答案要点：初始 capacity=2，第三次 add 时触发扩容，newCapacity ≈ 3（2 + 1 = 3）或按 1.5 规则变为 3；数组复制然后插入 3；size = 3。

练习 3（复杂度）

为什么 addAll(Collection c) 有时不是 O(m)？（m = c.size()）
答案要点 ：若需要扩容，可能多次触发数组复制；但实现通常会一次性 ensureCapacity(size + c.size())，能把复制控制为一次，平均 O(m)。

练习 4（并发）

在并发环境中，为什么遍历 ArrayList 时即使没抛 CME 也可能出现数据不一致？
答案要点：fail-fast 只是检测并发结构性修改，不保证完整检测（例如某些非结构修改或恰好未触发检查），并且在无同步时读取到的元素可能是半写入状态或旧值。

练习 5（源码理解）

ensureCapacityInternal(size + 1) 为什么要传 size+1 而不是 size？
答案要点 ：因为要确保至少能容纳新增的那个元素；minCapacity = size+1。

练习 6（实操）

实现一个 trimToSize() 的用途？
答案要点 ：把 elementData 缩小到 size，释放空余内存，适合大批量删除后回收内存。

六、背诵模板（直接背会话）

下面三段你直接背：面试问到就背诵即可（每段控制在 2~3 句）

模板 A（简介）：

ArrayList 底层是动态数组，用 Object[] 存储元素，支持基于索引的 O(1) 访问。插入/删除中间元素需要移动数组，最坏 O(n)。扩容时会申请更大数组并复制旧数据，常见扩容因子是 1.5 倍。

模板 B（线程与并发）：

ArrayList 不是线程安全的；多线程写入会导致竞态和不确定行为。若需要并发访问可以用 Collections.synchronizedList（外部加锁）或 CopyOnWriteArrayList（读多写少）。

模板 C（fail-fast）：

Iterator 使用 modCount 校验并发修改，发现不一致会抛 ConcurrentModificationException（fail-fast）。这只是检测机制，不是并发安全方案。

七、记忆小技巧 / 快速口语化解释（面试口语友好）

把"扩容策略 1.5 倍"记成"省内存又少复制"。
把 modCount 想像成"版本号"，iterator 带着它的 expectedVersion，发现版本变了就报警。
随机访问快 = "像数组下标直达"，插入慢 = "像搬椅子要把后面人都往后挤"。

八、按时间的复习计划（可选：选择 30 / 60 / 120 分钟）

30 分钟（冲刺面试）

0--5min：读"底层地图"并默写（第一节）。
5--15min：背三个"模板 A/B/C"。
15--25min：看伪码（add/grow/remove/iterator），口头演示一次扩容与一次删除移动。
25--30min：做练习题 1、2（口头回答）。

60 分钟（稳妥）

0--10：底层结构与术语（size/capacity/modCount）理解。
10--25：看并手写伪码（add/grow/remove）。
25--40：背模板 + 白板画图演示。
40--55：做全部练习题，写出精简答案。
55--60：复习记忆小技巧与面试回答演练。

120 分钟（深挖）

按 60 分钟计划做，再加：
- 看 ArrayList 的真实源码（对应 JDK 版本）并理解 ensureCapacityInternal 的细节。
- 比较 ArrayList 与 Vector/CopyOnWriteArrayList 的源码差异。
- 做两道 LeetCode（与数组相关的插入/删除类题）来巩固思路。

九、常见追问及应对（面试官常跟进的问题，如何回答）

为什么 ArrayList 的 remove 返回被删除元素？

简短：便于链式/确认删除前值，和 Collection 接口契约一致。
为什么 elementData[size] = null？

为了避免内存泄漏，帮助 GC 回收对象引用。
什么时候使用 CopyOnWriteArrayList？

读多写少且迭代要求不抛 CME 时（例如事件监听器列表）。
如何避免频繁扩容？

在构造器里传入合适的初始容量或在批量插入前调用 ensureCapacity。

十、快速总结（面试前一页纸）

把下面这段记下来，作为你口袋里的"一页纸"：

ArrayList = 动态数组（Object[]），随机访问 O(1)，中间插入/删除 O(n)。扩容触发于 size + 1 > capacity，常见扩容为 old + old>>1（1.5 倍）。非线程安全；通过 modCount 实现 fail-fast。常用替代：LinkedList（频繁插入删除）、CopyOnWriteArrayList（读多写少并发场景）、Collections.synchronizedList（外部同步）。