Java中 ArrayList 的扩容机制深度解析

在 Java 8 中，ArrayList 是一个广泛使用的集合类，它提供了动态数组的功能。当 ArrayList 需要容纳更多的元素时，它会自动进行扩容。本文将深入探讨 ArrayList 的扩容机制，特别是 grow 方法的实现细节。

ArrayList 扩容概述

ArrayList 通过一个叫做 elementData 的内部数组来存储元素。当添加元素导致数组满时，ArrayList 会执行扩容操作。扩容过程包括以下几个步骤：

1. 计算新容量。
2. 检查是否需要满足最小容量要求。
3. 确保不超过 JVM 允许的最大数组大小。
4. 复制旧数组到新数组。

grow 方法源码解析

grow 方法是扩容操作的核心。以下是 grow 方法的源码，以及对关键点的注释说明：

private void grow(int minCapacity) {
    // overflow-conscious code
    int oldCapacity = elementData.length;
    // 计算新的容量为当前容量的1.5倍
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    // 如果新容量仍然小于最小需要容量，则将新容量设置为最小需要容量
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    // 如果新容量超过了ArrayList允许的最大容量，则调用hugeCapacity方法确定新容量
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    // 复制原数组内容到新数组
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
    if (minCapacity < 0) // 如果minCapacity为负数，说明发生溢出，抛出异常
        throw new OutOfMemoryError();
    // 如果minCapacity大于数组最大容量，则返回Integer.MAX_VALUE，否则返回MAX_ARRAY_SIZE
    return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
        Integer.MAX_VALUE :
        MAX_ARRAY_SIZE;
}

private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

关键点解释：

• 容量计算：通过 oldCapacity + (oldCapacity >> 1) 计算新容量，这是当前容量的1.5倍，意味着每次扩容后容量会增加到原来的150%。

• 最小容量要求：如果计算出的新容量小于所需的最小容量 minCapacity，则将新容量设置为 minCapacity。

• 最大容量限制：如果新容量超过了 MAX_ARRAY_SIZE（Integer.MAX_VALUE - 8），则需要调用 hugeCapacity 方法来限制新容量不超过 JVM 允许的最大值。

• 数组复制：使用 Arrays.copyOf 方法将旧数组的内容复制到具有新容量的数组中。

异常处理：

• 溢出处理：如果 minCapacity 计算结果为负数，表示发生了整数溢出，此时抛出 OutOfMemoryError。

ArrayList 的扩容机制设计得非常高效和安全。它通过1.5倍的扩容策略减少了扩容的频率，同时通过检查最大容量限制确保了程序的稳定性。