浅谈ArrayList扩容机制及源码分析

ArrayList有三种方式来初始化，构造方法源码如下：

//默认初始化容量大小

 private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

//最大数组值，超过报内存溢出

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

//共享的空数组实例，用于默认大小的空实例。我们将其与EMPTY_ELEMENTDATA区别开来，以了解添加第一个元素时需要增加多少

private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

//ArrayList元素存储到的数组缓冲区。 ArrayList的容量是此数组缓冲区的长度。添加第一个元素时，任何具有elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 的空ArrayList将被扩展为DEFAULT_CAPACITY。

transient Object[] elementData;

/**
 * Constructs an empty list with an initial capacity of ten.
 */
public ArrayList() {
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

//带初始容量参数的构造函数（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;
    }
}

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.

一。add方法（将指定的元素追加到此列表的末尾）

public boolean add(E e) {
  //调用ensureCapacityInternal方法
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    //添加元素的实质就相当于为数组赋值
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

可以看到 add 方法首先调用了ensureCapacityInternal(size + 1)

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}

private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
    //获取默认的容量和传入参数的较大值
        return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    return 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。

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)
    //11-10》0调用grow方法进行扩容
        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。

grow方法

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

/**
 * Increases the capacity to ensure that it can hold at least the
 * number of elements specified by the minimum capacity argument.
 *
 * @param minCapacity the desired minimum capacity
 */
 //核心方法
private void grow(int minCapacity) {
    // overflow-conscious code
    int oldCapacity = elementData.length;
    //右移一位，相当于oldxCapacity/2 ,将新容量更新为旧容量的1.5倍
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    //检查新是否小于旧
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
   //检查新容量是否大于最大容量则新容量为integer.max_array.size
    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);
}

private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
    if (minCapacity < 0) // overflow
        throw new OutOfMemoryError();
    return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
        Integer.MAX_VALUE :
        MAX_ARRAY_SIZE;
        
         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。
}

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：

　　①java 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.

　　②java 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.

　　③java 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!

到目前为止，我们就可以知道`add(E e)`的基本实现了：

首先去检查一下数组的容量是否足够
- 扩容到原来的1.5倍
- 第一次扩容后，如果容量还是小于minCapacity，就将容量扩充为minCapacity。
- 足够：直接添加
- 不足够：扩容

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！

二。add(int index,E element)

  //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!! 10        

          //arraycopy()方法实现数组自己复制自己（c++实现）  

        //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++; 

  }

三。get方法

public E get(int index){

rangecheck(index);

return elementData(index);

}

// 检查角标
private void rangeCheck(int index) {
if (index >= size)
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}

// 返回元素
E elementData(int index) {
    return (E) elementData[index];
}

四。 remove

检查角标

删除元素
计算出需要移动的个数，并移动
设置为null，让Gc回收

public E remove(int index) {
    rangeCheck(index);

    modCount++;
    E oldValue = 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;
}

五细节说明

ArrayList是基于动态数组实现的，在增删时候，需要数组的拷贝复制。
ArrayList的默认初始化容量是10，每次扩容时候增加原先容量的一半，也就是变为原来的1.5倍
删除元素时不会减少容量，若希望减少容量则调用trimToSize()
它不是线程安全的。它能存放null值。

六。vector与arraylist区别

Vector底层也是数组，与ArrayList最大的区别就是：同步(线程安全)

Vector是同步的，我们可以从方法上就可以看得出来~

在要求非同步的情况下，我们一般都是使用ArrayList来替代Vector的了~

如果想要ArrayList实现同步，可以使用Collections的方法：List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList(...));，就可以实现同步了~

还有另一个区别：

ArrayList在底层数组不够用时在原来的基础上扩展0.5倍，Vector是扩展1倍。、

vector----grow

private void grow(int minCapacity) {
    // overflow-conscious code
    int oldCapacity = elementData.length;
    int newCapacity = oldCapacity + ((capacityIncrement > 0) ?
                                     capacityIncrement : oldCapacity);
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
    if (minCapacity < 0) // overflow
        throw new OutOfMemoryError();
    return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
        Integer.MAX_VALUE :
        MAX_ARRAY_SIZE;
}

Vector源码的解析可参考：

LinkedList解析

LinkedList底层是双向链表

add方法

public boolean add(E e) {
linkLast(e);
return true;
}

void linkLast(E e) {
    final Node<E> l = last;
    final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
    last = newNode;
    if (l == null)
        first = newNode;
    else
        l.next = newNode;
    size++;
    modCount++;
}

remove

public boolean remove(Object o) {
    if (o == null) {
        for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
            if (x.item == null) {
            //删除元素
                unlink(x);
                return true;
            }
        }
    } else {
        for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
        //删除元素实际上就是用equals看看这个元素是否在里面
            if (o.equals(x.item)) {
                unlink(x);
                return true;
            }
        }
    }
    return false;
}

get

Node<E> node(int index) {
    // assert isElementIndex(index);

    if (index < (size >> 1)) {
        Node<E> x = first;
        //下标小于长度的一半那就从头遍历
        for (int i = 0; i < index; i++)
            x = x.next;
        return x;
    } else {
    //从尾遍历
        Node<E> x = last;
        for (int i = size - 1; i > index; i--)
            x = x.prev;
        return x;
    }
}

set

set方法和get方法其实差不多，根据下标来判断是从头遍历还是从尾遍历

    public E set(int index, E element) {
        checkElementIndex(index);
        Node<E> x = node(index);
        E oldVal = x.item;
        x.item = element;
        return oldVal;
    }

其余方法可参考

https://blog.csdn.net/panweiwei1994/article/details/77110354

总结

ArrayList：

底层实现是数组
ArrayList的默认初始化容量是10，每次扩容时候增加原先容量的一半，也就是变为原来的1.5倍
在增删时候，需要数组的拷贝复制(navite 方法由C/C++实现)

LinkedList：

底层实现是双向链表[双向链表方便实现往前遍历]

Vector：

底层是数组，现在已少用，被ArrayList替代，原因有两个：
- Vector所有方法都是同步，有性能损失。
- Vector初始length是10 超过length时以100%比率增长，相比于ArrayList更多消耗内存。
- 参考资料：https://www.zhihu.com/question/31948523/answer/113357347

总的来说：查询多用ArrayList，增删多用LinkedList。

ArrayList增删慢不是绝对的(在数量大的情况下，已测试)：

如果增加元素一直是使用add()(增加到末尾)的话，那是ArrayList要快
一直删除末尾的元素也是ArrayList要快【不用复制移动位置】
至于如果删除的是中间的位置的话，还是ArrayList要快！

但一般来说：增删多还是用LinkedList，因为上面的情况是极端的~

posted @ 2020-08-23 15:56 MrOldx 阅读(184) 评论(0) 编辑收藏举报

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