Java ArrayList 扩容机制

本文详细解析了ArrayList的三种构造方式及其内部扩容机制,包括默认构造、带初始容量参数构造和基于集合构造的过程。同时,深入探讨了ArrayList如何在添加元素时确保容量足够,并在必要时进行扩容。

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构造函数

   /**
     * 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;
        }
    }

从构造方法可以看出,如果使用默认构造函数会返回初始长度为0的空链表,当使用add()方法时,才加到默认长度 10;
使用带参构造函数创建ArrayList对象时如果规定长度大于0则返回指定长度大小的对象,否则返回长度为0的对象,如果参数小于0,则抛出异常;
使用集合构造函数时,如果集合长度大于0,则返回集合长度的对象,否则返回长度为0 的空对象。

扩容机制:

    /**
     * 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;
    }
    
   //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);
    }

  //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);
    }

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。

    /**
     * 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);
    }

grow()方法
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.

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。

    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;
    }

hugeCapacity()方法
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。

过程简述:
无参构造函数 
-> 返回空链表 ,
->添加元素时,调用add()方法->调用ensureCapacityInternal() 方法获得最小扩容量(实际需要容量),当前容量与默认扩容量(10)相比,取最大值
->调用ensureExplicitCapacity()方法,判断最小扩容量是否大于当前链表的容量(elementData.length),是则调用grow()方法
->将容量增加到原来的1.5倍,如果还是不能满足则增加到实际需要长度
->如果增加后容量大小达到设定的最大值( Integer.MAX_VALUE - 8),则将容量大小设置为整数的最大值(Integer.MAX_VALUE )。

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