【JavaSE】ArrayList的扩容机制源码分析

1. ArrayList概述

ArrayList是Java集合框架中比较常用的一个数据结构了，它底层是基于数组实现的。数组是固定大小的，但是ArrayList的扩容机制可以实现容量大小的动态变化。

数组的容量是在定义的时候确定的，如果数组满了，再插入，就会数组溢出。所以在插入时候，会先检查是否需要扩容，如果当前容量+1超过数组长度，就会进行扩容。

ArrayList的扩容是创建一个1.5倍的新数组，然后把原数组的值拷贝过去。

ArrayList添加元素有下面两种方式

1. public boolean add(E e)
2. public boolean addAll(Collection<? extends E> c)

下面进行源码分析

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2. ArrayList构造方法源码分析

创建ArrayList集合的时候，会调用其构造方法

//存放元素的数据
transient Object[] elementData;
//默认空数组
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {
    
    };
//集合长度
private int size;

//无参构造
public ArrayList() {
    
    
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

//指定元素长度构造
public ArrayList(int initialCapacity) {
    
    
    if (initialCapacity > 0) {
    
    
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
    } else if (initialCapacity == 0) {
    
    
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    } else {
    
    
        throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                           initialCapacity);
    }
}

//构造参数为集合
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
    
    
    Object[] a = c.toArray();
    if ((size = a.length) != 0) {
    
    
        if (c.getClass() == ArrayList.class) {
    
    
            elementData = a;
        } else {
    
    
            elementData = Arrays.copyOf(a, size, Object[].class);
        }
    } else {
    
    
        // replace with empty array.
        elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
}

1. 无参构造：无参构造会使用DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA作为存放元素的数据的数组，也就是默认集合底层的数组长度为0。
2. 指定元素长度构造：指定元素长度构造则是使用构造参数initialCapacity作为数组的长度。this.elementData = new Object[initialCapacity];
3. 构造参数为集合：使用构造参数集合c的长度作为底层数组elementData的长度，并将集合的元素拷贝成一个新数组赋值给elementData

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3. ArrayList.add()源码分析

先准备一段添加数据进行的代码，添加的数据长度为15。

public class TestArrayList {
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    
        ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 15; i++) {
    
    
            list.add(i);
        }
    }
}

首先，创建ArrayList集合的时候，会调用其无参构造方法，ArrayList底层数组为长度为0的空数组。

下面是add方法的源码

public boolean add(E e) {
    
    
    //检查是否需要扩容
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

在添加元素进集合集合之前，需要先调用ensureCapacityInternal方法，检查是否要扩容。

参数为底层存储数据的数组的长度+1

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    
    
    ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}

ensureCapacityInternal里面ensureExplicitCapacity方法。

在执行ensureExplicitCapacity之前需要调用calculateCapacity方法计算需要扩容的长度。

//默认的初始化容量大小
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
    
    
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
    
    
        return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    return minCapacity;
}

calculateCapacity方法有两个参数，elementData是底层用来存储数据的数组，而minCapacity就是新的数组长度。

在这个方法里，首先判断一下elementData是不是默认的空数组（也就是是否和DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA是同一个对象）**，如果是，则取新数组的长度和默认的初始化容量的长度的最大值返回。**也就是说，如果集合中第一次添加元素，那么默认的容量大小为10。

如果不是默认的空数组，则将minCapacity也就是新的数组长度返回。

//该参数是记录列表结构以被修改的次数
protected transient int modCount = 0;
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    
    
    modCount++;

    // overflow-conscious code
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);
}

接着比较现在新数组长度minCapacity和底层数组长度elementData.length的大小

如果minCapacity小于等于elementData.length则不需要扩容。

如果minCapacity大于elementData.length则需要扩容，调用grow(minCapacity)方法。

参数为新数组的长度。

//数组最大容量，-8是因为有些VM会在数组中保留一些词
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
private void grow(int minCapacity) {
    
    
    // overflow-conscious code
    //记录底层数组的长度
    int oldCapacity = elementData.length;
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

这个grow方法就是扩容的关键所在了。

扩容后的数组长度的关键就是这一行代码

int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);

(oldCapacity >> 1)就是右移运算表示除以2

假设现在oldCapacity为10，其原码为1010，向右移动一位就是0101，也是5。

所以扩容后的新容量newCapacity就是15。

接着判断扩容后的容量newCapacity和新数组的容量minCapacity进行比较。

1. 如果小于，也就是扩容后的容量newCapacity还不够，那么将新数组的长度minCapacity赋值给newCapacity。

然后将扩容容量newCapacity和数组最大容量MAX_ARRAY_SIZE对比

1. 如果大于，则执行hugeCapacity(minCapacity)方法

//数组最大容量，-8是因为有些VM会在数组中保留一些词
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
    
    
    if (minCapacity < 0) // overflow
        throw new OutOfMemoryError();
    return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
        Integer.MAX_VALUE :
        MAX_ARRAY_SIZE;
}

hugeCapacity(minCapacity)方法判断如果最小扩展要求值小于0则抛出异常，否则进行判断最小扩展要求值minCapacity是否大于MAX_ARRAY_SIZE，如果大于则返回最大int值，如果不大于则返回MAX_ARRAY_SIZE值。

最后通过Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);扩容就完成了。

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4. ArrayList.addAll()源码分析

先准备一段测试代码。

public class TestArrayList {
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    
        ArrayList list = new ArrayList();
        list.addAll(Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11));
    }
}

下面是addAll的源码

public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
    
    
    Object[] a = c.toArray();
    int numNew = a.length;
    ensureCapacityInternal(size + numNew);  // Increments modCount
    System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
    size += numNew;
    return numNew != 0;
}

addAll主要的逻辑就是将传进来的集合转化为数组，拿到这个数组的长度。

接着对当前ArrayList执行检查扩容操作，然后System.arraycopy方法将System.arraycopy数组附加到elementData数组的size下标后，然后设置size的大小，最后根据传入的容器长度来返回添加状态。

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5. 总结

1. ArrayList扩容通常为原数组大小的1.5倍，并且ArrayList最大容量为int最大值。
2. addAll(Collection c)没有元素时候，扩容为Math.max(10, 实际元素个数)，有元素时为Math.max(原来容量的1.5倍，实际元素个数)
3. add(Object o)首次扩容为10，再次扩容为上次容量的1.5倍。
4. ArrayList(int initialCapacity)会使用指定容量的数组
5. ArrayList(Collection<? extends E> c)会使用c的大小作为数组容量

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