【面試必備】透過源碼角度一步一步帶你分析 ArrayList 擴容機制

jerry 發(fā)布于2019-08-19 11:12 / 1917人閱讀

摘要：當真正對數組進行添加元素操作時，才真正分配容量。下面在我們分析擴容時會降到這一點內容二一步一步分析擴容機制這里以無參構造函數創(chuàng)建的為例分析先來看方法將指定的元素追加到此列表的末尾。

該文已加入開源文檔：JavaGuide（一份涵蓋大部分Java程序員所需要掌握的核心知識）。地址:https://github.com/Snailclimb...

一先從 ArrayList 的構造函數說起

ArrayList有三種方式來初始化，構造方法源碼如下：

   /**
     * 默認初始容量大小
     */
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
    

    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

    /**
     *默認構造函數，使用初始容量10構造一個空列表(無參數構造)
     */
    public ArrayList() {
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
    
    /**
     * 帶初始容量參數的構造函數。（用戶自己指定容量）
     */
    public ArrayList(int initialCapacity) {
        if (initialCapacity > 0) {//初始容量大于0
            //創(chuàng)建initialCapacity大小的數組
            this.elementData = new Object[initialCapacity];
        } else if (initialCapacity == 0) {//初始容量等于0
            //創(chuàng)建空數組
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        } else {//初始容量小于0，拋出異常
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                               initialCapacity);
        }
    }


   /**
    *構造包含指定collection元素的列表，這些元素利用該集合的迭代器按順序返回
    *如果指定的集合為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;
        }
    }

細心的同學一定會發(fā)現：以無參數構造方法創(chuàng)建 ArrayList 時，實際上初始化賦值的是一個空數組。當真正對數組進行添加元素操作時，才真正分配容量。即向數組中添加第一個元素時，數組容量擴為10。下面在我們分析 ArrayList 擴容時會降到這一點內容！

二一步一步分析 ArrayList 擴容機制

這里以無參構造函數創(chuàng)建的 ArrayList 為例分析

1. 先來看 add 方法

    /**
     * 將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，先調用ensureCapacityInternal方法
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        //這里看到ArrayList添加元素的實質就相當于為數組賦值
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }

2. 再來看看 ensureCapacityInternal() 方法

可以看到 add 方法首先調用了ensureCapacityInternal(size + 1)

   //得到最小擴容量
    private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
              // 獲取默認的容量和傳入參數的較大值
            minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }

        ensureExplicitCapacity(minCapacity);
    }

當要 add 進第1個元素時，minCapacity為1，在Math.max()方法比較后，minCapacity 為10。

3. ensureExplicitCapacity() 方法

如果調用 ensureCapacityInternal() 方法就一定會進過（執(zhí)行）這個方法，下面我們來研究一下這個方法的源碼！

  //判斷是否需要擴容
    private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        modCount++;

        // overflow-conscious code
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            //調用grow方法進行擴容，調用此方法代表已經開始擴容了
            grow(minCapacity);
    }

我們來仔細分析一下：

當我們要 add 進第1個元素到 ArrayList 時，elementData.length 為0 （因為還是一個空的 list），因為執(zhí)行了 ensureCapacityInternal() 方法，所以 minCapacity 此時為10。此時，minCapacity - elementData.length > 0 成立，所以會進入 grow(minCapacity) 方法。

當add第2個元素時，minCapacity 為2，此時e lementData.length(容量)在添加第一個元素后擴容成 10 了。此時，minCapacity - elementData.length > 0 不成立，所以不會進入（執(zhí)行）grow(minCapacity) 方法。

添加第3、4···到第10個元素時，依然不會執(zhí)行grow方法，數組容量都為10。

直到添加第11個元素，minCapacity(為11)比elementData.length（為10）要大。進入grow方法進行擴容。

4. grow() 方法

    /**
     * 要分配的最大數組大小
     */
    private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

    /**
     * ArrayList擴容的核心方法。
     */
    private void grow(int minCapacity) {
        // oldCapacity為舊容量，newCapacity為新容量
        int oldCapacity = elementData.length;
        //將oldCapacity 右移一位，其效果相當于oldCapacity /2，
        //我們知道位運算的速度遠遠快于整除運算，整句運算式的結果就是將新容量更新為舊容量的1.5倍，
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        //然后檢查新容量是否大于最小需要容量，若還是小于最小需要容量，那么就把最小需要容量當作數組的新容量，
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            newCapacity = minCapacity;
       // 如果新容量大于 MAX_ARRAY_SIZE,進入(執(zhí)行) `hugeCapacity()` 方法來比較 minCapacity 和 MAX_ARRAY_SIZE，
       //如果minCapacity大于最大容量，則新容量則為`Integer.MAX_VALUE`，否則，新容量大小則為 MAX_ARRAY_SIZE 即為 `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 每次擴容之后容量都會變?yōu)樵瓉淼?1.5 倍！ 記清楚了！不是網上很多人說的 1.5 倍+1！

">>"（移位運算符）：>>1 右移一位相當于除2，右移n位相當于除以 2 的 n 次方。這里 oldCapacity 明顯右移了1位所以相當于oldCapacity /2。對于大數據的2進制運算,位移運算符比那些普通運算符的運算要快很多,因為程序僅僅移動一下而已,不去計算,這樣提高了效率,節(jié)省了資源

我們再來通過例子探究一下grow() 方法：

當add第1個元素時，oldCapacity 為0，經比較后第一個if判斷成立，newCapacity = minCapacity(為10)。但是第二個if判斷不會成立，即newCapacity 不比 MAX_ARRAY_SIZE大，則不會進入 hugeCapacity 方法。數組容量為10，add方法中 return true,size增為1。

當add第11個元素進入grow方法時，newCapacity為15，比minCapacity（為11）大，第一個if判斷不成立。新容量沒有大于數組最大size，不會進入hugeCapacity方法。數組容量擴為15，add方法中return true,size增為11。

以此類推······

這里補充一點比較重要，但是容易被忽視掉的知識點：

java 中的 length 屬性是針對數組說的,比如說你聲明了一個數組,想知道這個數組的長度則用到了 length 這個屬性.

java 中的 length() 方法是針對字符串說的,如果想看這個字符串的長度則用到 length() 這個方法.

java 中的 size() 方法是針對泛型集合說的,如果想看這個泛型有多少個元素,就調用此方法來查看!

5. hugeCapacity() 方法。

從上面 grow() 方法源碼我們知道：如果新容量大于 MAX_ARRAY_SIZE,進入(執(zhí)行) hugeCapacity() 方法來比較 minCapacity 和 MAX_ARRAY_SIZE，如果minCapacity大于最大容量，則新容量則為Integer.MAX_VALUE，否則，新容量大小則為 MAX_ARRAY_SIZE 即為 Integer.MAX_VALUE - 8。

    private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
        if (minCapacity < 0) // overflow
            throw new OutOfMemoryError();
        //對minCapacity和MAX_ARRAY_SIZE進行比較
        //若minCapacity大，將Integer.MAX_VALUE作為新數組的大小
        //若MAX_ARRAY_SIZE大，將MAX_ARRAY_SIZE作為新數組的大小
        //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

閱讀源碼的話，我們就會發(fā)現 ArrayList 中大量調用了這兩個方法。比如：我們上面講的擴容操作以及add(int index, E element)、toArray() 等方法中都用到了該方法！

3.1 System.arraycopy() 方法

    /**
     * 在此列表中的指定位置插入指定的元素。 
     *先調用 rangeCheckForAdd 對index進行界限檢查；然后調用 ensureCapacityInternal 方法保證capacity足夠大；
     *再將從index開始之后的所有成員后移一個位置；將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()方法實現數組自己復制自己
        //elementData:源數組;index:源數組中的起始位置;elementData：目標數組；index + 1：目標數組中的起始位置； size - index：要復制的數組元素的數量；
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index);
        elementData[index] = element;
        size++;
    }

我們寫一個簡單的方法測試以下：

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.println(a[i]);
        }
    }

}

結果：

0 1 99 2 3 0 0 0 0 0

3.2 Arrays.copyOf()方法

   /**
     以正確的順序返回一個包含此列表中所有元素的數組（從第一個到最后一個元素）; 返回的數組的運行時類型是指定數組的運行時類型。 
     */
    public Object[] toArray() {
    //elementData：要復制的數組；size：要復制的長度
        return Arrays.copyOf(elementData, size);
    }

個人覺得使用 Arrays.copyOf()方法主要是為了給原有數組擴容，測試代碼如下：

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);
    }
}

結果：

3.3 兩者聯系和區(qū)別

聯系：

看兩者源代碼可以發(fā)現 copyOf() 內部實際調用了 System.arraycopy() 方法

區(qū)別：

arraycopy() 需要目標數組，將原數組拷貝到你自己定義的數組里或者原數組，而且可以選擇拷貝的起點和長度以及放入新數組中的位置 copyOf() 是系統(tǒng)自動在內部新建一個數組，并返回該數組。

四 ensureCapacity方法

ArrayList 源碼中有一個 ensureCapacity 方法不知道大家注意到沒有，這個方法 ArrayList 內部沒有被調用過，所以很顯然是提供給用戶調用的，那么這個方法有什么作用呢？

    /**
    如有必要，增加此 ArrayList 實例的容量，以確保它至少可以容納由minimum capacity參數指定的元素數。
     *
     * @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，以減少增量從新分配的次數

我們通過下面的代碼實際測試以下這個方法的效果：

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

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