ArrayList扩容机制
2024-09-04 21:50:35
一、先从 ArrayList 的构造函数说起
ArrayList有三种方式来初始化，构造方法源码如下：
1 /**
2 * 默认初始容量大小
3 */
4 private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
5
6
7 private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
8
9 /**
10 *默认构造函数，使用初始容量10构造一个空列表(无参数构造)
11 */
12 public ArrayList() {
13 this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
14 }
15
16 /**
17 * 带初始容量参数的构造函数。（用户自己指定容量）
18 */
19 public ArrayList(int initialCapacity) {
20 if (initialCapacity > 0) {//初始容量大于0
21 //创建initialCapacity大小的数组
22 this.elementData = new Object[initialCapacity];
23 } else if (initialCapacity == 0) {//初始容量等于0
24 //创建空数组
25 this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
26 } else {//初始容量小于0，抛出异常
27 throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
28 initialCapacity);
29 }
30 }
31
32
33 /**
34 *构造包含指定collection元素的列表，这些元素利用该集合的迭代器按顺序返回
35 *如果指定的集合为null，throws NullPointerException。
36 */
37 public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
38 elementData = c.toArray();
39 if ((size = elementData.length) != 0) {
40 // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
41 if (elementData.getClass() != Object[].class)
42 elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
43 } else {
44 // replace with empty array.
45 this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
46 }
47 }
细心的同学一定会发现 ：以无参数构造方法创建 ArrayList 时，实际上初始化赋值的是一个空数组。当真正对数组进行添加元素操作时，才真正分配容量。即向数组中添加第一个元素时，数组容量扩为10。 下面在我们分析 ArrayList 扩容时会讲到这一点内容！
二、一步一步分析 ArrayList 扩容机制
这里以无参构造函数创建的 ArrayList 为例分析：
1、先来看 add 方法
1 /**
2 * 将指定的元素追加到此列表的末尾。
3 */
4 public boolean add(E e) {
5 //添加元素之前，先调用ensureCapacityInternal方法
6 ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
7 //这里看到ArrayList添加元素的实质就相当于为数组赋值
8 elementData[size++] = e;
9 return true;
10 }
2、再来看看 ensureCapacityInternal() 方法
可以看到 add 方法 首先调用了ensureCapacityInternal(size + 1)
1 //得到最小扩容量
2 private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
3 if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
4 // 获取默认的容量和传入参数的较大值
5 minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
6 }
7
8 ensureExplicitCapacity(minCapacity);
9 }
当 要 add 进第1个元素时，minCapacity为1，在Math.max()方法比较后，minCapacity 为10。
3、ensureExplicitCapacity() 方法
如果调用 ensureCapacityInternal() 方法就一定会进过（执行）这个方法，下面我们来研究一下这个方法的源码！
1 //判断是否需要扩容
2 private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
3 modCount++;
4
5 // overflow-conscious code
6 if (minCapacity - elementData.length > 0)
7 //调用grow方法进行扩容，调用此方法代表已经开始扩容了
8 grow(minCapacity);
9 }
我们来仔细分析一下：
- 当我们要 add 进第1个元素到 ArrayList 时，elementData.length 为0 （因为还是一个空的 list），因为执行了 ensureCapacityInternal() 方法 ，所以 minCapacity 此时为10。此时，minCapacity - elementData.length > 0 成立，所以会进入 grow(minCapacity) 方法。
- 当add第2个元素时，minCapacity 为2，此时e lementData.length(容量)在添加第一个元素后扩容成 10 了。此时，minCapacity - elementData.length > 0 不成立，所以不会进入 （执行）grow(minCapacity) 方法。
- 添加第3、4···到第10个元素时，依然不会执行grow方法，数组容量都为10。
直到添加第11个元素，minCapacity(为11)比elementData.length（为10）要大。进入grow方法进行扩容。
4、grow() 方法
1 /**
2 * 要分配的最大数组大小
3 */
4 private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
5
6 /**
7 * ArrayList扩容的核心方法。
8 */
9 private void grow(int minCapacity) {
10 // oldCapacity为旧容量，newCapacity为新容量
11 int oldCapacity = elementData.length;
12 //将oldCapacity 右移一位，其效果相当于oldCapacity /2，
13 //我们知道位运算的速度远远快于整除运算，整句运算式的结果就是将新容量更新为旧容量的1.5倍，
14 int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
15 //然后检查新容量是否大于最小需要容量，若还是小于最小需要容量，那么就把最小需要容量当作数组的新容量，
16 if (newCapacity - minCapacity < 0)
17 newCapacity = minCapacity;
18 // 如果新容量大于 MAX_ARRAY_SIZE,进入(执行) `hugeCapacity()` 方法来比较 minCapacity 和 MAX_ARRAY_SIZE，
19 //如果minCapacity大于最大容量，则新容量则为`Integer.MAX_VALUE`，否则，新容量大小则为 MAX_ARRAY_SIZE 即为 `Integer.MAX_VALUE - 8`。
20 if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
21 newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
22 // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
23 elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
24 }
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1),所以 ArrayList 每次扩容之后容量都会变为原来的 1.5 倍左右（oldCapacity为偶数就是1.5倍，否则是1.5倍左右）！ 奇偶不同，比如 ：10+10/2 = 15, 33+33/2=49。如果是奇数的话会丢掉小数.
我们再来通过例子探究一下grow() 方法 ：
- 当add第1个元素时，oldCapacity 为0，经比较后第一个if判断成立，newCapacity = minCapacity(为10)。但是第二个if判断不会成立，即newCapacity 不比 MAX_ARRAY_SIZE大，则不会进入 hugeCapacity 方法。数组容量为10，add方法中 return true,size增为1。
- 当add第11个元素进入grow方法时，newCapacity为15，比minCapacity（为11）大，第一个if判断不成立。新容量没有大于数组最大size，不会进入hugeCapacity方法。数组容量扩为15，add方法中return true,size增为11。
- 以此类推······
这里补充一点比较重要，但是容易被忽视掉的知识点：
①java 中的 length 属性是针对数组说的,比如说你声明了一个数组,想知道这个数组的长度则用到了 length 这个属性.
②java 中的 length() 方法是针对字符串说的,如果想看这个字符串的长度则用到 length() 这个方法.
③java 中的 size() 方法是针对泛型集合说的,如果想看这个泛型有多少个元素,就调用此方法来查看!
5、hugeCapacity() 方法
从上面 grow() 方法源码我们知道： 如果新容量大于 MAX_ARRAY_SIZE,进入(执行) hugeCapacity() 方法来比较 minCapacity 和 MAX_ARRAY_SIZE，如果minCapacity大于最大容量，则新容量则为Integer.MAX_VALUE，否则，新容量大小则为 MAX_ARRAY_SIZE 即为 Integer.MAX_VALUE - 8。
1 private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
2 if (minCapacity < 0) // overflow
3 throw new OutOfMemoryError();
4 //对minCapacity和MAX_ARRAY_SIZE进行比较
5 //若minCapacity大，将Integer.MAX_VALUE作为新数组的大小
6 //若MAX_ARRAY_SIZE大，将MAX_ARRAY_SIZE作为新数组的大小
7 //MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
8 return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
9 Integer.MAX_VALUE :
10 MAX_ARRAY_SIZE;
11 }
三、System.arraycopy() 和 Arrays.copyOf()方法
阅读源码的话，我们就会发现 ArrayList 中大量调用了这两个方法。比如：我们上面讲的扩容操作以及add(int index, E element)、toArray() 等方法中都用到了该方法！
1、System.arraycopy() 方法
1 /**
2 * 在此列表中的指定位置插入指定的元素。
3 *先调用 rangeCheckForAdd 对index进行界限检查；然后调用 ensureCapacityInternal 方法保证capacity足够大；
4 *再将从index开始之后的所有成员后移一个位置；将element插入index位置；最后size加1。
5 */
6 public void add(int index, E element) {
7 rangeCheckForAdd(index);
8
9 ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
10 //arraycopy()方法实现数组自己复制自己
11 //elementData:源数组;index:源数组中的起始位置;elementData：目标数组；index + 1：目标数组中的起始位置； size - index：要复制的数组元素的数量；
12 System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index);
13 elementData[index] = element;
14 size++;
15 }
我们写一个简单的方法测试一下：
1 public class ArraycopyTest {
2
3 public static void main(String[] args) {
4 // TODO Auto-generated method stub
5 int[] a = new int[10];
6 a[0] = 0;
7 a[1] = 1;
8 a[2] = 2;
9 a[3] = 3;
10 System.arraycopy(a, 2, a, 3, 3);
11 a[2]=99;
12 for (int i = 0; i < a.length; i++) {
13 System.out.println(a[i]);
14 }
15 }
16 }
结果：
0 1 99 2 3 0 0 0 0 0
2、Arrays.copyOf()方法
1 /**
2 以正确的顺序返回一个包含此列表中所有元素的数组（从第一个到最后一个元素）; 返回的数组的运行时类型是指定数组的运行时类型。
3 */
4 public Object[] toArray() {
5 //elementData：要复制的数组；size：要复制的长度
6 return Arrays.copyOf(elementData, size);
7 }
个人觉得使用 Arrays.copyOf()方法主要是为了给原有数组扩容，测试代码如下：
1 public class ArrayscopyOfTest {
2
3 public static void main(String[] args) {
4 int[] a = new int[3];
5 a[0] = 0;
6 a[1] = 1;
7 a[2] = 2;
8 int[] b = Arrays.copyOf(a, 10);
9 System.out.println("b.length"+b.length);
10 }
11 }
结果：
10
3、两者联系和区别
联系： 看两者源代码可以发现 copyOf() 内部实际调用了 System.arraycopy() 方法
区别： arraycopy() 需要目标数组，将原数组拷贝到你自己定义的数组里或者原数组，而且可以选择拷贝的起点和长度以及放入新数组中的位置 copyOf() 是系统自动在内部新建一个数组，并返回该数组。
四、ensureCapacity方法
ArrayList 源码中有一个 ensureCapacity 方法不知道大家注意到没有，这个方法 ArrayList 内部没有被调用过，所以很显然是提供给用户调用的，那么这个方法有什么作用呢？
1 /**
2 如有必要，增加此 ArrayList 实例的容量，以确保它至少可以容纳由minimum capacity参数指定的元素数。
3 *
4 * @param minCapacity 所需的最小容量
5 */
6 public void ensureCapacity(int minCapacity) {
7 int minExpand = (elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)
8 // any size if not default element table
9 ? 0
10 // larger than default for default empty table. It's already
11 // supposed to be at default size.
12 : DEFAULT_CAPACITY;
13
14 if (minCapacity > minExpand) {
15 ensureExplicitCapacity(minCapacity);
16 }
17 }
最好在 add 大量元素之前用 ensureCapacity 方法，以减少增量重新分配的次数，我们通过下面的代码实际测试以下这个方法的效果：
1 public class EnsureCapacityTest {
2 public static void main(String[] args) {
3 ArrayList<Object> list = new ArrayList<Object>();
4 final int N = 10000000;
5 long startTime = System.currentTimeMillis();
6 for (int i = 0; i < N; i++) {
7 list.add(i);
8 }
9 long endTime = System.currentTimeMillis();
10 System.out.println("使用ensureCapacity方法前："+(endTime - startTime));
11
12 }
13 }
运行结果：
使用ensureCapacity方法前：2158
1 public class EnsureCapacityTest {
2 public static void main(String[] args) {
3 ArrayList<Object> list = new ArrayList<Object>();
4 final int N = 10000000;
5 list = new ArrayList<Object>();
6 long startTime1 = System.currentTimeMillis();
7 list.ensureCapacity(N);
8 for (int i = 0; i < N; i++) {
9 list.add(i);
10 }
11 long endTime1 = System.currentTimeMillis();
12 System.out.println("使用ensureCapacity方法后："+(endTime1 - startTime1));
13 }
14 }
运行结果：
使用ensureCapacity方法后：1773
通过运行结果，我们可以看出向 ArrayList 添加大量元素之前最好先使用ensureCapacity 方法，以减少增量重新分配的次数。
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