Java集合之ArrayList扩容机制

ArrayList的构造函数

//默认初始容量大小（默认能添加10条数据）
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
//默认实例化一个空数组
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
//默认构造函数，使用初始容量为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) {
this.elementData = new Object[initialCapacity];
} else if (initialCapacity == 0) {
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
} else {
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照顺序返回，如果指定的集合为空，则抛出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;
}
}

以无参数构造方式创建ArrayList时，实际上初始化赋值的是一个空数组（public ArrayList()）。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

一步步分析ArrayList扩容机制

• 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!!（增量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;
}

• 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（第一次的较大值是DEFAULT_CAPACITY=10，minCapacity=1）
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}

ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}

当要add进第一个元素时，minCapacity为1，在Math.max()方法比较后，minCapacity为10

• ensureExplicitCapacity()方法

//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

1. 当我们要add进第一个元素到ArrayList时，elementData.length为0（因为还是一个空的list，里面还没有数据，所以没有进行扩容，默认扩容10），因为执行了ensureCapacityInternal()方法，所以minCapacity此时为10。此时，minCapacity - elemetData.length > 0（minCapacity=10,elemetData.length=0）成立，所以会进入==grow(minCapacity)==方法。
2. 当add第2个元素时，minCapacity为2，此时elementData.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。
3. 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。
   知道添加第11个元素，minCapacity(为11)比elementData.length(为10)要大。进行grow方法进行扩容
4. grow方法

private void grow(int minCapacity) {
// oldCapacity为旧容量，newCapacity为新容量
int oldCapacity = elementData.length;//（0,10,15）
//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，那么久把最小需要容量当作数组的新容量
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
//判断新容量是否大于集合的最大容量（一般大不了）
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
// 给elementData从新赋值（10,15）
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！

“>>”（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

通过例子探究一下grow()方法

• 当add第一个元素时，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rerurn,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元素，就调用此方法类查看！

System.arraycopy() 方法

// 将指定的元素插入此列表中的指定位置。
// 如果当前位置有元素，则向右移动当前位于该位置的元素以及所有后续元素（将其索引加1）。
public void add(int index, E element) {
if (index > size || index < 0)
throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+", Size: "+size);
// 如果数组长度不足，将进行扩容。
ensureCapacity(size+1);  // Increments modCount!!
// 将 elementData中从Index位置开始、长度为size-index的元素，
// 拷贝到从下标为index+1位置开始的新的elementData数组中。
// 即将当前位于该位置的元素以及所有后续元素右移一个位置。
// //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++;
}

插入数据

public static void main(String[] args)
{
List<String> list = new ArrayList<String>();
list.add("111");
list.add("222");
list.add("333");
list.add("444");
list.add("555");
list.add("666");
list.add("777");
list.add("888");
list.add(2, "000");
System.out.println(list);
}

看到插入的时候，按照指定位置，把从指定位置开始的所有元素利用System.arraycopy方法做一个整体的复制，向后移动一个位置（当然先要用ensureCapacity方法进行判断，加了一个元素之后数组会不会不够大），然后指定位置的元素设置为需要插入的元素，完成了一次插入的操作。用图表示这个过程是这样的

``
在这个方法中最根本的方法就是System.arraycopy()方法，该方法的根本目的就是将index位置空出来以供新数据插入，这里需要进行数组数据的右移，这是非常麻烦和耗时的，所以如果指定的数据集合需要进行大量插入（中间插入）操作，推荐使用LinkedList。

删除数据

public E remove(int index) {
if (index >= size)
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));

modCount++;
E oldValue = (E) elementData[index];

int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
numMoved);
elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work

return oldValue;
}

public static void main(String[] args)
{
List<String> list = new ArrayList<String>();
list.add("111");
list.add("222");
list.add("333");
list.add("444");
list.add("555");
list.add("666");
list.add("777");
list.add("888");
list.remove("333");
}

1、把指定元素后面位置的所有元素，利用System.arraycopy方法整体向前移动一个位置

2、最后一个位置的元素指定为null，这样让gc可以去回收它

int[]a = new int[10];
a[0] =0;
a[1] =1;
a[2] =2;
a[3] =3;
a[4]=4;
a[5]=5;
a[6]=6;
a[7]=7;
a[8]=8;
a[9]=9;
System.arraycopy(a,2,a,3,7);
for (int i=0;i<a.length;i++){
System.out.println(i+"****"+a[i]);
}

从原数组（a）中第2位开始往后面取三位(2.3.4)，然后copy到新数组(这里还是a)中，从第3位开始放（3.4.5被替换成原数组的2.3.4）

2019-04-15 17:50:27.658 28361-28361/? I/System.out: 0****0
2019-04-15 17:50:27.658 28361-28361/? I/System.out: 1****1
2019-04-15 17:50:27.658 28361-28361/? I/System.out: 2****2
2019-04-15 17:50:27.658 28361-28361/? I/System.out: 3****2
2019-04-15 17:50:27.658 28361-28361/? I/System.out: 4****3
2019-04-15 17:50:27.658 28361-28361/? I/System.out: 5****4
2019-04-15 17:50:27.658 28361-28361/? I/System.out: 6****5
2019-04-15 17:50:27.658 28361-28361/? I/System.out: 7****6
2019-04-15 17:50:27.658 28361-28361/? I/System.out: 8****7
2019-04-15 17:50:27.658 28361-28361/? I/System.out: 9****8

参考文献

https://juejin.im/post/5ba1a3156fb9a05d1478178b