JavaGuide-通过源码一步一步分析 ArrayList 扩容机制

科技2025-01-17 5

本文转载自https://github.com/Snailclimb/JavaGuide/blob/master/docs/java/collection/ArrayList-Grow.md

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<? 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; } }

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

1. 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; }

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

2. 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。

3. 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。

4. 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!

5. 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：

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<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)); } }

运行结果：

使用ensureCapacity方法前：2158 public class EnsureCapacityTest { public static void main(String[] args) { ArrayList<Object> list = new ArrayList<Object>(); final int N = 10000000; list = new ArrayList<Object>(); long startTime1 = System.currentTimeMillis(); list.ensureCapacity(N); for (int i = 0; i < N; i++) { list.add(i); } long endTime1 = System.currentTimeMillis(); System.out.println("使用ensureCapacity方法后："+(endTime1 - startTime1)); } }