揭开ArrayList 的长度扩展神秘面纱

Java中的ArrayList的初始容量和容量分配
List接口的大小可变数组的实现。实现了所有可选列表操作，并允许包括 null 在内的所有元素。
ArrayList继承于List接口，除继承过来的方法外，还提供一些方法来操作内部用来存储列表的数组的大小。
每个ArrayList实例都有一个容量。该容量是指用来存储列表元素的数组的大小。它总是至少等于列表的大小。随着向ArrayList中不断添加元素，其容量也自动增长。并未指定增长策略的细节，因为这不只是添加元素会带来分摊固定时间开销那样简单。

ArrayList是经常会被用到的，一般情况下，使用的时候会像这样进行声明：
List arrayList = new ArrayList();
如果像上面这样使用默认的构造方法，初始容量被设置为10。当ArrayList中的元素超过10个以后，会重新分配内存空间，使数组的大小增长到16。
可以通过调试看到动态增长的数量变化：10->16->25->38->58->88->…

也可以使用下面的方式进行声明：
List arrayList = new ArrayList(4);
将ArrayList的默认容量设置为4。当ArrayList中的元素超过4个以后，会重新分配内存空间，使数组的大小增长到7。
可以通过调试看到动态增长的数量变化：4->7->11->17->26->…

那么容量变化的规则是什么呢？请看下面的公式：
((旧容量 * 3) / 2) + 1
注：这点与C#语言是不同的，C#当中的算法很简单，是翻倍。

一旦容量发生变化，就要带来额外的内存开销，和时间上的开销。
所以，在已经知道容量大小的情况下，推荐使用下面方式进行声明：
List arrayList = new ArrayList(CAPACITY_SIZE);
即指定默认容量大小的方式。

探索ArrayList自动改变size真相
ArrayList的列表对象实质上是存储在一个引用型数组里的，有人认为该数组有“自动增长机制”可以自动改变size大小。正式地说，该数组是无法改变
大小的，实际上它只是改变了该引用型数组的指向而已。下面，让我们来看看java是怎样实现ArrayList类的。
一、ArrayList类的实质
     ArrayList底层采用Object类型的数组实现，当使用不带参数的构造方法生成ArrayList对象时，
实际上会在底层生成一个长度为10的Object类型数组。
    首先，ArrayList定义了一个私有的未被序列化的数组elementData，用来存储ArrayList的对象列表（注意只定义未初始）：
　　private transient Object[] elementData;

    其次，以指定初始容量（Capacity）或把指定的Collection转换为引用型数组后实例化elementData数组；如果没有指定，则预置初始容量为10进行
实例化。把私有数组预先实例化，然后通过copyOf方法覆盖原数组，是实现自动改变ArrayList的大小(size)的关键。有人说ArrayList是复杂的数组，我
认为不如说ArrayList是关于数组的系统的方法组合。
　　ArrayList的构造方法源码如下：
    // 用指定的初始容量构造一个空列表。
    public ArrayList(int initialCapacity) {
        super();
        if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+initialCapacity);
        this.elementData = new Object[initialCapacity];//属性指向新建长度为初始容量的临时数组
    }
    // 使用初始容量10构造一个空列表
    public ArrayList() {
        this(10);
    }
    / *构造包含利用collection的迭代器按顺序返回的指定collection元素的列表
     * @param c 集合，它的元素被用来放入列表t
     * @throws NullPointerException 如果指定集合为 null
     */
    public ArrayList(Collection c) {
        elementData = c.toArray();//用Collection初始化数组elementData
        size = elementData.length;
        if (elementData.getClass() != Object[].class)
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
    }
二、ArrayList实现自动改变size机制
   为了实现这一机制，java引进了Capacity和size概念，以区别数组的length。为了保证用户增加新的列表对象，java设置了最小容量（minCapacity）
，通常情况上，它大于列表对象的数目，所以Capactiy虽然就是底层数组的长度（length），但是对于最终用户来讲，它是无意义的。而size存储着列表
对象的数量，才是最终用户所需要的。为了防止用户错误修改，这一属性被设置为privae的，不过可以通过size()获取。
   下面，对ArrayList的初始以及其列表对象的增加和删除等三种情况下的size自动改变机制进行分析。
   1、初始Capacity和size值。
   从上面给出的ArrayList构造方法源码中，我们不难看出Capacity初始值（initialCapacity）可以由用户直接指定或由用户指定的Collection集合存
储的对象数目确定，如果没有指定，系统默认为10。而size的被声明为int型变量，默认为0，当用户指定Collection创建ArrayList时，size值等于
initialCapacity。

   2、add()方法
    该方法的源码如下：
    public boolean add(E e) {
        ensureCapacityInternal(size + 1);
        elementData[size++] = e;//添加对象时，自增size
        return true;
    }
    方法中调用的ensureCapacityInternal主要用来调整容量，修改elementData数组的指向。其中涉及到3个方法的调用，其核心在于grow方法：

    private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        modCount++;//定义于ArrayList的父类AbstractList，用于存储结构修改次数
        // overflow-conscious code
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
    }  
    private void grow(int minCapacity) {
        // overflow-conscious code
        int oldCapacity = elementData.length;
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);//新容量扩大到原容量的1.5倍，右移一位相关于原数值除以2。
        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);
    }
    private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
        if (minCapacity < 0) // overflow
            throw new OutOfMemoryError();
        return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
            Integer.MAX_VALUE :
            MAX_ARRAY_SIZE;//MAX_ARRAY_SIZE和Integer.MAX_VALUE为常量，详细请参阅下面的注解
    }

   通过以上代码，我们可知java自动增加ArrayList大小的思路是：向ArrayList添加对象时，原对象数目加1如果大于原底层数组长度，则以适当长度新
建一个原数组的拷贝，并修改原数组，指向这个新建数组。原数组自动抛弃（java垃圾回收机制会自动回收）。size则在向数组添加对象，自增1。

   注解：
    //定义于该类的常量，用来分配数组的size最大值。一些 VMs在数组里保留字头，试图分配更大数组时可能导致OutOfMemoryError:被请求数组的
size超出VM界限。
    private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
   //在java.lang.Integer类中常量MIN_VALUE、MAX_VALUE如下：
   public static final int   MIN_VALUE = 0x80000000;//整型取值区间下界：－2147483648
   public static final int   MAX_VALUE = 0x7fffffff;//整型取值区间上界：2147483647
　　//在java.util.AbstractList中modCount定义如下：
　　protected transient int modCount = 0;
    3、remove()方法
    该重构方法其一源码如下（其它的就不累述了）：
    public E remove(int index) {
        rangeCheck(index);
        modCount++;
        E oldValue = elementData(index);
        int numMoved = size - index - 1;
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                             numMoved);//将后面的列表对象前移
        elementData[--size] = null; // 数组前移一位，size自减，空出来的位置置null，具体的对象的销毁由Junk收集器负责
        return oldValue;
    }
    private void rangeCheck(int index) {//边界检查
        if (index < 0 || index >= this.size)
           throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
    }
    E elementData(int index) {//获取指定index所在位置的对象
        return (E) elementData[index];
    }

    通过remove()源码的学习，我们不难看出，其改变ArrayList大小的核心与add()方法相似，都是同数组拷贝。
    另外，如果确有必要，用户也可以指定ArrayList实例的容量，可以有效的降低时间成本。它是通过调用ensureCapacityInternal来实现的，源代码
如下：
    public void ensureCapacity(int minCapacity) {
        if (minCapacity > 0)
            ensureCapacityInternal(minCapacity);
    }
    因为size为private的，java给出方法来访问它：
    public int size() {
         checkForComodification();
         return this.size;
    }

    综上所述，在用户向ArrayList追加对象时，Java总是要先计算容量（Capacity）是否适当，若容量不足则把原数组拷贝到以指定容量为长度创建的
新数组内，并对原数组变量重新赋值，指向新数组。在这同时，size进行自增1。在删除对象时，先使用拷贝方法把指定index后面的对象前移1位（如果
有的话），然后把空出来的位置置null，交给Junk收集器销毁，size自减1，即完成了。

下面实现的自定义ArrayList的实现，以方便理解

import java.util.AbstractList;
import java.util.Arrays;
import java.util.List;
import java.util.RandomAccess;

public class MyArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {

    private static final long serialVersionUID = 6789114907157471581L;

    private int dataLength;// 数据的个数

    private int arrayCapacity = 10;// 数组的容量,容量扩充规则:新数组容量=原数组容量/2+原数组容量

    public Object[] elementData = {};// 存放数据的数组

    public MyArrayList() {
        elementData = new Object[arrayCapacity];
    }

    /**
     * 维护数组容量
     * 
     * @param size
     * @return
     */
    private int examineCapacity() {
        if (dataLength >= arrayCapacity) {
            // 扩充数据容量 容量扩充规则:
            // 【新数组容量=原数组容量/2+原数组容量】
            // 【新数组容量=原数组容量+(原数组容量>>1)】
            // 效果一样后者更快 相当于当前的长度扩充1.5倍
            arrayCapacity = arrayCapacity + (arrayCapacity >> 1);
        } else {
            // 压缩数组容量 容量压缩规则:新数组容量=原数组容量-原数组容量/3
            int newCapacity = arrayCapacity - arrayCapacity / 3;
            arrayCapacity = dataLength <= newCapacity ? newCapacity : arrayCapacity;
        }
        return arrayCapacity;
    }

    /**
     * 根据用户指定的数组容量大小,按照自定义的规则扩充数组容量
     * 
     * @param dataLength
     */
    public MyArrayList(int dataLength) {
        this.dataLength = dataLength;
        if (dataLength > arrayCapacity) {
            arrayCapacity = examineCapacity();
        }
        elementData = new Object[arrayCapacity];
    }

    @Override
    public E get(int index) {
        return (E) elementData[index];
    }

    @Override
    public int size() {
        return dataLength;
    }

    @Override
    public boolean add(E e) {
        if (dataLength < arrayCapacity) {
            // 当前数组的元素个数小于数组的容量,就可直接完成添加,数组元素个数+1
            elementData[dataLength++] = e;
            return true;
        } else {
            // 当前数组元素个数等于或大于数组的容量便扩充容量后,就可直接完成添加,数组元素个数+1
            examineCapacity();
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, arrayCapacity);
            elementData[dataLength++] = e;
            return true;
        }
    }

    @Override
    public boolean isEmpty() {
        return dataLength == 0;
    }

    @Override
    public E remove(int index) {
        if (index <= -1 || index > dataLength) {
            return null;
        }
        Object obj = elementData[index];
        for (int i = index; i <= dataLength && i < elementData.length; i++) {
            if (i + 1 < elementData.length)
                elementData[i] = elementData[i + 1];
        }
        --dataLength;
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, examineCapacity());
        return (E) obj;
    }

    @Override
    public boolean remove(Object o) {
        for (int i = 0; i < dataLength; i++) {
            if (elementData[i].equals(o)) {
                return remove(i) == null ? false : true;
            }
        }
        return false;
    }
}