说说ArrayList的扩容机制

ArrayList是List接口的实现类，它是支持根据需要而动态增长的数组。java中标准数组是定长的，在数组被创建之后，它们不能被加长或缩短。这就意味着在创建数组时需要知道数组的所需长度，但有时我们需要动态程序中获取数组长度。ArrayList就是为此而生的,但是它不是线程安全的，外ArrayList按照插入的顺序来存放数据

①ArrayList扩容发生在add()方法调用的时候，调用ensureCapacityInternal()来扩容的，通过方法calculateCapacity(elementData, minCapacity)获取需要扩容的长度:

②ensureExplicitCapacity方法可以判断是否需要扩容：

③ArrayList扩容的关键方法grow(): 获取到ArrayList中elementData数组的内存空间长度扩容至原来的1.5倍

④调用Arrays.copyOf方法将elementData数组指向新的内存空间时newCapacity的连续空间从此方法中我们可以清晰的看出其实ArrayList扩容的本质就是计算出新的扩容数组的size后实例化，并将原有数组内容复制到新数组中去。

计算机常用术语： CRUD =====增加(Create)、检索(Retrieve)、更新(Update)和删除(Delete)

一、先从 ArrayList 的构造函数说起

ArrayList有三种方式来初始化，构造方法源码如下：

/**

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 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;
}
}

细心的同学一定会发现：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。下面在我们分析 ArrayList 扩容时会讲到这一点内容！

二、一步一步分析 ArrayList 扩容机制

这里以无参构造函数创建的 ArrayList 为例分析

先来看 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
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;
}
12345678910

12345678910

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

再来看看 ensureCapacityInternal() 方法

可以看到 add 方法首先调用了 ensureCapacityInternal(size + 1)

//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1个元素时，minCapacity为1，在Math.max()方法比较后，minCapacity 为10。

ensureExplicitCapacity() 方法

如果调用 ensureCapacityInternal() 方法就一定会进过（执行）这个方法，下面我们来研究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);
}

我们来仔细分析一下：

当我们要 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)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.“>>”（移位运算符）：>>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

我们再来通过例子探究一下 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······

这里补充一点比较重要，但是容易被忽视掉的知识点：

java 中的 length 属性是针对数组说的,比如说你声明了一个数组,想知道这个数组的长度则用到了 length 这个属性.

java 中的 length() 方法是针对字符串说的,如果想看这个字符串的长度则用到 length() 这个方法.

java 中的 size() 方法是针对泛型集合说的,如果想看这个泛型有多少个元素,就调用此方法来查看!

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;
}

三、 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！

3.1 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++;
}
//我们写一个简单的方法测试以下：
public class ArraycopyTest {
public static void main(String[] args) {
// TODO Auto-generated method stub
int[] a = new int[10];
a[0] = 0;
a[1] = 1;
a[2] = 2;
a[3] = 3;
System.arraycopy(a, 2, a, 3, 3);
a[2]=99;
for (int i = 0; i < a.length; i++) {
System.out.print(a[i] + " ");
}
}
}
结果：
0 1 99 2 3 0 0 0 0 0
3.2 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);
}

//个人觉得使用 Arrays.copyOf() 方法主要是为了给原有数组扩容，
//测试代码如下：
public class ArrayscopyOfTest {
public static void main(String[] args) {
int[] a = new int[3];
a[0] = 0;
a[1] = 1;
a[2] = 2;
int[] b = Arrays.copyOf(a, 10);
System.out.println("b.length"+b.length);
}
}
结果：
10

3.3 两者联系和区别

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。

四、 ensureCapacity 方法

ArrayList 源码中有一个 ensureCapacity 方法不知道大家注意到没有，这个方法 ArrayList 内部没有被调用过，所以

很显然是提供给用户调用的，那么这个方法有什么作用呢？

/**
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

我们通过下面的代码实际测试以下这个方法的效果：public class EnsureCapacityTest {

public static void main(String[] args) {
ArrayList

说说ArrayList的扩容机制

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