ArrayList扩容机制分析

首先看一下ArrayList的构造函数：

/**
     * 默认初始容量大小
     */
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;


    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {
    
    };

    /**
     *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)
     */
    public ArrayList() {
    
    
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }

    /**
     * 带初始容量参数的构造函数。（用户自己指定容量）
     */
    public ArrayList(int initialCapacity) {
    
    
        if (initialCapacity > 0) {
    
    //初始容量大于0
            //创建initialCapacity大小的数组
            this.elementData = new Object[initialCapacity];
        } else if (initialCapacity == 0) {
    
    //初始容量等于0
            //创建空数组
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        } else {
    
    //初始容量小于0，抛出异常
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                               initialCapacity);
        }
    }


   /**
    *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
    *如果指定的集合为null，throws NullPointerException。
    */
     public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
    
    
        elementData = c.toArray();
        if ((size = elementData.length) != 0) {
    
    
            // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
            if (elementData.getClass() != Object[].class)
                elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
        } else {
    
    
            // replace with empty array.
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        }
    }

从构造函数源码中可以发现：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。

下面以无参构造函数创建的ArrayList为例分析：

add方法：

/**
     * 将指定的元素追加到此列表的末尾。
     */
    public boolean add(E e) {
    
    
   //添加元素之前，先调用ensureCapacityInternal方法
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        //这里看到ArrayList添加元素的实质就相当于为数组赋值
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }

注：JDK11 移除了 ensureCapacityInternal() 和 ensureExplicitCapacity() 方法

再来看看add()方法中的ensureCapacityInternal() 方法：

   //得到最小扩容量
    private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    
    
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
    
    
              // 获取默认的容量和传入参数的较大值
            minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }

        ensureExplicitCapacity(minCapacity);
    }

因此，当添加第 1 个元素时，minCapacity 为 1，在 Math.max()方法比较后，minCapacity 为 10。

再看看ensureCapacityInternal() 方法中的ensureExplicitCapacity()方法：

  //判断是否需要扩容
    private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    
    
        modCount++;

        // overflow-conscious code
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            //调用grow方法进行扩容，调用此方法代表已经开始扩容了
            grow(minCapacity);
    }

分析：

当我们添加第 1 个元素到 ArrayList 时，elementData.length 为 0 （一个空的list），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。
当添加第 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, elementData.length为 10,此时，minCapacity - elementData.length > 0 成立，进入 grow 方法进行扩容。

再看看ensureExplicitCapacity()方法中的grow()方法：

  /**
     * 要分配的最大数组大小
     */
    private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

    /**
     * ArrayList扩容的核心方法。
     */
    private void grow(int minCapacity) {
    
    
        // oldCapacity为旧容量，newCapacity为新容量
        int oldCapacity = elementData.length;
        //将oldCapacity 右移一位，其效果相当于oldCapacity /2，
        //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，
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        //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，
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            newCapacity = minCapacity;
       // 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`。
        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);
    }

代码中：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），比如：10 + 10/2 = 15 ; 15 + 15/2 = 22。

分析一下grow()方法：

当添加第 11 个元素进入 grow 方法，此时，newCapacity 为 15，比 minCapacity（为 11）大，newCapacity - minCapacity < 0不成立。同时newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0也不成立，即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。

再看看grow()方法中的hugeCapacity() 方法:
从 grow() 方法可以知道：如果新容量newCapacity 大于 MAX_ARRAY_SIZE,则进入hugeCapacity() 方法,通过比较 minCapacity 和 MAX_ARRAY_SIZE，如果 minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE，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。

    private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
    
    
        if (minCapacity < 0) // overflow
            throw new OutOfMemoryError();
        //对minCapacity和MAX_ARRAY_SIZE进行比较
        //若minCapacity大，将Integer.MAX_VALUE作为新数组的大小
        //若MAX_ARRAY_SIZE大，将MAX_ARRAY_SIZE作为新数组的大小
        //MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
        return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
            Integer.MAX_VALUE :
            MAX_ARRAY_SIZE;
    }

通过阅读ArrayList源码可以发现，ArrayList 中大量调用了这两个方法：System.arraycopy() 和 Arrays.copyOf()方法。
下面看一下这两个方法的源码及使用场景：

System.arraycopy() 方法：
源码：

    // 我们发现 arraycopy 是一个 native 方法,接下来我们解释一下各个参数的具体意义
/**
*   复制数组
* @param src 源数组
* @param srcPos 源数组中的起始位置
* @param dest 目标数组
* @param destPos 目标数组中的起始位置
* @param length 要复制的数组元素的数量
*/
public static native void arraycopy(Object src,  int  srcPos,
                                    Object dest, int destPos,
                                    int length);

场景：

    /**
 * 在此列表中的指定位置插入指定的元素。
 *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；
 *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。
 */
public void add(int index, E element) {
      
      
    rangeCheckForAdd(index);

    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    //arraycopy()方法实现数组自己复制自己
    //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；
    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index);
    elementData[index] = element;
    size++;
}

Arrays.copyOf() 方法：
源码：

public static int[] copyOf(int[] original, int newLength) {
      
      
    	// 申请一个新的数组
        int[] copy = new int[newLength];
	// 调用System.arraycopy,将源数组中的数据进行拷贝,并返回新的数组
        System.arraycopy(original, 0, copy, 0,
                         Math.min(original.length, newLength));
        return copy;
    }

场景：

	 /**
	     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。
	     */
    public Object[] toArray() {
    
    
    //elementData：要复制的数组；size：要复制的长度
        return Arrays.copyOf(elementData, size);
    }

Arrays.copyOf() 方法主要是为了给原有数组扩容。

两种方法的联系与区别：

联系：

通过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。

参考：https://javaguide.cn/java/collection/arraylist-source-code.html

ArrayList扩容机制分析

ArrayList扩容机制分析

猜你喜欢