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ArrayList扩容机制

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构造函数​

ArrayList 有三种构造函数，源码如下：

/**
 * 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;
    }
}

以无参构造方法创建ArrayList时，实际上创建的是一个空数组，当添加元素到数组时，才开始分配容量。

当向数组中添加第一个元素时，数组容量扩充为10

ArrayList扩容流程​

add方法​

/**
* 将指定的元素追加到此列表的末尾。
*/
public boolean add(E e) {
    // 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;
}

ensureCapacityInternal方法的源码如下：

// 根据给定的最小容量和当前数组元素来计算所需容量。
private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
    // 如果当前数组元素为空数组（初始情况），返回默认容量和最小容量中的较大值作为所需容量
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    // 否则直接返回最小容量
    return minCapacity;
}

// 确保内部容量达到指定的最小容量。
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}

ensureCapacityInternal方法非常简单，内部直接调用了ensureExplicitCapacity方法：

//判断是否需要扩容
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;
    //判断当前数组容量是否足以存储minCapacity个元素
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        //调用grow方法进行扩容
        grow(minCapacity);
}

下面分析一下流程：

  • 当要 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elementData.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

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);
}

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

下面分析一下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······

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

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;
}

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！

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);
    }

个人觉得使用Arrays.copyOf()方法主要是为了给原有数组扩容

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

ensureCapacity方法​

    /**
    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。
     *
     * @param   minCapacity   所需的最小容量
     */
    public void ensureCapacity(int minCapacity) {
        int minExpand = (elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)
            // any size if not default element table
            ? 0
            // larger than default for default empty table. It's already
            // supposed to be at default size.
            : DEFAULT_CAPACITY;

        if (minCapacity > minExpand) {
            ensureExplicitCapacity(minCapacity);
        }
    }

理论上来说，最好在向ArrayList添加大量元素之前用ensureCapacity方法，以减少增量重新分配的次数，向ArrayList添加大量元素之前使用ensureCapacity方法可以提升性能

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