JavaArrayList扩容机制原理深入分析

2023-02-22 12:02:18 原理扩容机制

扩容机制

ArrayList是一个底层基于数组实现的集合容器。当我们在创建ArrayList对象时，默认数组长度为10，当然也可以在创建时指定长度。之后在程序执行过程中，不断地向ArrayList中添加数据。当数据存储达到底层数组最大容量时则会触发扩容机制

扩容原理

首先创建一个新的数组，新数组的长度时原数组的1.5倍。然后调用Arrays.copyOf()方法将原数组的所有数据copy到新数组中，再将当前新添加的数据添加至新数组并返回

源码分析

先来看ArrayList类生命的几个参数

// 默认ArrayList底层数组长度为10
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
// 空数组  其他地方调用
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
// 默认长度的空数组
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
// elementData 真正存储数据的数组  ArrayList的容量就是该数组的长度 
// 默认创建空的ArrayList将在第一次调用add方法时将该数组扩容成为DEFAULT_CAPACITY = 10的容量
transient Object[] elementData;
// size代表的是当前elementData数组中存储的元素个数  并不是数组的容量！ 
private int size;

当我们创建ArrayList对象并且指定长度时调用的构造器

ArrayList<> list = new ArrayList<>(12);

public ArrayList(int initialCapacity) {
    // initialCapacity就是你指定的长度
    // 逻辑判断
        if (initialCapacity > 0) {
// initialCapacity符合要求就创建新数组 长度为你指定的长度
            this.elementData = new Object[initialCapacity];
        } else if (initialCapacity == 0) {
// 如果initialCapacity为0则得到一个空数组
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        } else {
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+initialCapacity);
        }
    }

不指定长度时构造器

public ArrayList() {
    // 使用默认长度大小的数组
  this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

需要注意的是，我们不论用上述哪个构造器，首先第一步创建出来的都是空数组，但是会在第一次添加数据的时候执行不同方法进行扩容

下面我们从调用add()方法开始分析：

每次添加数据都会将size+1去进行判断，保证数组拥有至少存储这个新数据的空间

public boolean add(E e) {
    // 就此处开始一系列的扩容判断和操作
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        elementData[size++] = e;// 添加数据
        return true;
    }
// 下面是add方法中第一行执行的方法  此处minCapacity就是数组的最小容量  也就是当前存储的元素个数+1
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
 ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
    }

CalculateCapacity()方法用于判断当前数组是否是默认容量的数组，如果是默认容量的数组那么此时就要确定是否是第一次添加数据

如果是第一次添加数据，那么就将返回DEFAULT_CAPACITY=10也就是minCapacity=10

如果不是第一次添加数据，就将添加新数据之后的最小容量返回

其次还要注意的是，如果在创建ArrayList对象时使用的指定长度的构造器那么就会直接返回最小容量，也就是说如果你创建ArrayList指定长度为0，那么此时就会返回minCapacity=1，指定长度为0这个清空后面给到具体分析

private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
            return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }
        return minCapacity;
    }

ensureExplicitCapacity()方法用于判断是否需要扩容，经过上述方法将最小容量minCapacity传入ensureExplicitCapacity方法，如果这个所需最小容量大于当前数组容量（也就是当前数组存不下这个新数据了）则触发扩容机制grow()方法，反之不会进行扩容

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        modCount++;// modCount++是做什么的？ 我也不知道
        // overflow-conscious code
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
    }

在分析grow()方法之前我们先明确两个概念：

ArrayList定义了允许存储的最大容量也就是Integer允许的范围-8，如果溢出则是负数

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

Integer类型的范围是： -2的31次方~2的31次方减1

@Native public static final int MAX_VALUE = 0x7fffffff;

下面我们来看真正实现扩容的grow()方法

private void grow(int minCapacity) {
        // overflow-conscious code
    // 获取原数组容量
        int oldCapacity = elementData.length;
    // 新数组的容量是原数组容量的1.5倍
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    // 判断新数组容量是否小于最小容量
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            newCapacity = minCapacity;
    // 判断新容量是否超过了ArrayList允许的最大值
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
        // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
    // 调用copyOf方法将原数据全部复制到新的空数组中
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }
// 超出了ArrayList容量执行hugeCapacity
    private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
        // 因为Integer溢出则为负数，此处判断是否溢出
        if (minCapacity < 0) // overflow
            // 抛出异常  内存溢出
            throw new OutOfMemoryError();
        // 没有溢出则判断最小容量是否大于了ArrayList允许的最大值
        // 大于--> 返回Integer最大值
        // 小于--> 返回ArrayList允许的最大值
        return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
            Integer.MAX_VALUE :
            MAX_ARRAY_SIZE;
    }

值得注意的是，如果当前数组是无参构造器默认生成的空数组，并且是第一次添加数据时，那么数组的长度将会直接变为10

如果当前的数组是有参构造器（指定长度）生成并且指定初始容量为0，那么在前四次调用add方法添加数据时每次扩容都是+1,只有在第五次才会执行1.5倍扩容。

因为第一次添加则是minCapacity=1，oldCapacity=0 执行int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);之后newCapacity 还是0，则执行if (newCapacity - minCapacity < 0) -->newCapacity = minCapacity;也就是1，那么newCapacity 就为1，后面的三次以此类推差不多

那么至此，ArrayList就完成了扩容

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