ArrayList扩容机制
一、先从ArrayList的接口和父类说起
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
继承父类 *AbstractList
实现的接口有 *List
二、从构造函数说起
/**
* 默认初始容量大小
*/
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
/**
* 默认初始容量的一个空数组
*/
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;
}
}
用无参的构造方法创建ArrayList时，实际上初始化的是一个空数组。当真正对数组进行add添加元素操作时，才会真正的分配容量。即向数组中添加第一个元素时，数组容量扩为10
三、一步一步分析ArrayList扩容机制
以无参构造函数创建ArrayList为例
1、先看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,为了得到最小扩容size
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;
}
2、再看ensureCapacityInternal()方法
可以看到我们在add方法里面，首先调用了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);
}
当要add进第一个元素的时候，minCapacity=1，在Math.max()方法比较之后，minCapacity为10。（所以在默认的情况，在添加第一个元素的时候ArrayList被扩容成长度为10的一个数组）
ensureExplicitCapacity()方法
如果调用ensureCapacityInternal()方法就一定会进到ensureExplicitCapacity()方法中。接下来看一下这个方法的源码：
//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);
}
整个grow()的过程如下：
- 当我们要add进第一个元素到ArrayList时，elementData为0（因为还是一个空的list），因为执行了ensureCapacityInternal()方法，所以minCapacity此时会变成10.此时，minCapacity-elementData.length>0成立，所以会进入grow(minCapacity)方法
- 当添加第二元素的时候，minCapacity为2，此时的elementData.length在添加完第一个元素的时候已经变成10了，此时minCapacity-elementData.length>0不成立，所以并不会进入到grow(minCapacity)方法。
- 添加第3，4····到第十个都不会满足条件去执行grow(minCapacity)方法，此时的数组容量一直为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
这个才是ArrayList的核心扩容方法
/**
* 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成原来的1.5倍左右，（oldCapacity为偶数就是1.5倍，奇数的话就不是准确的1.5倍，奇数会丢掉小数）
(位移运算)：»1 右移一位相当于除2，右移n位相当于除以 2 的 n 次方。这里 oldCapacity 明显右移了1位所以相当于oldCapacity /2。对于大数据的2进制运算,位移运算符比那些普通运算符的运算要快很多,因为程序仅仅移动一下而已,不去计算,这样提高了效率,节省了资源
（为什么位移运算比普通运算符效率高？：从效率上看，使用移位指令有更高的效率，因为移位指令占2个机器周期，而乘除法指令占4个机器周期。从硬件上看，移位对硬件更容易实现，所以会用移位，移一位就乘2,这种乘法当然考虑移位了。）
所以扩容的基本过程如下：
- 当add第一个元素时，oldCapacity为0，比较滞后第一个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大不会进入hugeCapacity方法，数组容量为10，add方法中return true，然后size增加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.
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;
}
四、system.arraycopy()和Arrays.copyOf()方法
在arrayList中大量调用了这个两个方法，比如：我们上面讲的扩容操作以及add(int index,E element)都会调用到该方法
4.1 system.arraycopy()方法
/**
* 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++;
}
4.2 Arrays.copyOf()方法
/**
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);
}
4.3 两者的联系和区别
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。
五 ensureCapacity方法
源码如下：
/**
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);
}
}
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
下面的方法进行测试：
public class EnsureCapacityTest {
public static void main(String[] args) {
ArrayList<Object> list = new ArrayList<Object>();
final int N = 10000000;
long startTime = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < N; i++) {
list.add(i);
}
long endTime = System.currentTimeMillis();
System.out.println("使用ensureCapacity方法前："+(endTime - startTime));
}
}
