【面試必備】透過原始碼角度一步一步帶你分析 ArrayList 擴容機制
摘要：
該文已加入開源文件：JavaGuide（一份涵蓋大部分Java程式員所需要掌握的核心知識）。地址:github.com/Snailclimb/…
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一 先從 ArrayList 的建構函式說起
ArrayList有三種方式來初始化，構造方法原始碼如下：
/**
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該文已加入開源文件：JavaGuide（一份涵蓋大部分Java程式員所需要掌握的核心知識）。地址:ofollow,noindex">github.com/Snailclimb/… .
一 先從 ArrayList 的建構函式說起
ArrayList有三種方式來初始化，構造方法原始碼如下：
/** * 預設初始容量大小 */ private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10; private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {}; /** *預設建構函式，使用初始容量10構造一個空列表(無引數構造) */ public ArrayList() { this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA; } /** * 帶初始容量引數的建構函式。（使用者自己指定容量） */ public ArrayList(int initialCapacity) { if (initialCapacity > 0) {//初始容量大於0 //建立initialCapacity大小的陣列 this.elementData = new Object[initialCapacity]; } else if (initialCapacity == 0) {//初始容量等於0 //建立空陣列 this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA; } else {//初始容量小於0，丟擲異常 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<? 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; } } 複製程式碼
細心的同學一定會發現 ：以無引數構造方法建立 ArrayList 時，實際上初始化賦值的是一個空陣列。當真正對陣列進行新增元素操作時，才真正分配容量。即向陣列中新增第一個元素時，陣列容量擴為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
這裡以無參建構函式建立的 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) {
//新增元素之前，先呼叫ensureCapacityInternal方法
ensureCapacityInternal(size + 1);// Increments modCount!!
//這裡看到ArrayList新增元素的實質就相當於為陣列賦值
elementData[size++] = e;
return true;
}
複製程式碼
2. 再來看看ensureCapacityInternal()
方法
可以看到add
方法 首先呼叫了ensureCapacityInternal(size + 1)
//得到最小擴容量
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
// 獲取預設的容量和傳入引數的較大值
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
複製程式碼
當 要 add 進第1個元素時，minCapacity為1，在Math.max()方法比較後，minCapacity 為10。
3.ensureExplicitCapacity()
方法
如果呼叫ensureCapacityInternal()
方法就一定會進過（執行）這個方法，下面我們來研究一下這個方法的原始碼！
//判斷是否需要擴容
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
modCount++;
// overflow-conscious code
if (minCapacity - elementData.length > 0)
//呼叫grow方法進行擴容，呼叫此方法代表已經開始擴容了
grow(minCapacity);
}
複製程式碼
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)在新增第一個元素後擴容成 10 了。此時，
minCapacity - elementData.length > 0不成立，所以不會進入 （執行）grow(minCapacity)方法。 - 新增第3、4···到第10個元素時，依然不會執行grow方法，陣列容量都為10。
直到新增第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
/**
* 要分配的最大陣列大小
*/
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，其效果相當於oldCapacity /2，
//我們知道位運算的速度遠遠快於整除運算，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);
//然後檢查新容量是否大於最小需要容量，若還是小於最小需要容量，那麼就把最小需要容量當作陣列的新容量，
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
// 如果新容量大於 MAX_ARRAY_SIZE,進入(執行) `hugeCapacity()` 方法來比較 minCapacity 和 MAX_ARRAY_SIZE，
//如果minCapacity大於最大容量，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);
}
複製程式碼
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1),所以 ArrayList 每次擴容之後容量都會變為原來的 1.5 倍！記清楚了！不是網上很多人說的 1.5 倍+1！
">>"（移位運算子）：>>1 右移一位相當於除2，右移n位相當於除以 2 的 n 次方。這裡 oldCapacity 明顯右移了1位所以相當於oldCapacity /2。對於大資料的2進位制運算,位移運算子比那些普通運算子的運算要快很多,因為程式僅僅移動一下而已,不去計算,這樣提高了效率,節省了資源
我們再來通過例子探究一下grow()
方法 ：
hugeCapacity
這裡補充一點比較重要，但是容易被忽視掉的知識點：
-
java 中的
length屬性是針對陣列說的,比如說你聲明瞭一個數組,想知道這個陣列的長度則用到了 length 這個屬性. -
java 中的
length()方法是針對字串說的,如果想看這個字串的長度則用到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,就呼叫此方法來檢視!
5.hugeCapacity()
方法。
從上面grow()
方法原始碼我們知道： 如果新容量大於 MAX_ARRAY_SIZE,進入(執行)hugeCapacity()
方法來比較 minCapacity 和 MAX_ARRAY_SIZE，如果minCapacity大於最大容量，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作為新陣列的大小
//若MAX_ARRAY_SIZE大，將MAX_ARRAY_SIZE作為新陣列的大小
//MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
Integer.MAX_VALUE :
MAX_ARRAY_SIZE;
}
複製程式碼
三System.arraycopy()
和Arrays.copyOf()
方法
閱讀原始碼的話，我們就會發現 ArrayList 中大量呼叫了這兩個方法。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！
3.1System.arraycopy()
方法
/**
* 在此列表中的指定位置插入指定的元素。
*先呼叫 rangeCheckForAdd 對index進行界限檢查；然後呼叫 ensureCapacityInternal 方法保證capacity足夠大；
*再將從index開始之後的所有成員後移一個位置；將element插入index位置；最後size加1。
*/
public void add(int index, E element) {
rangeCheckForAdd(index);
ensureCapacityInternal(size + 1);// Increments modCount!!
//arraycopy()方法實現陣列自己複製自己
//elementData:源陣列;index:源陣列中的起始位置;elementData：目標陣列；index + 1：目標陣列中的起始位置； size - index：要複製的陣列元素的數量；
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index);
elementData[index] = element;
size++;
}
複製程式碼
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]);
}
}
}
複製程式碼
結果：
0 1 99 2 3 0 0 0 0 0 複製程式碼
3.2Arrays.copyOf()
方法
/**
以正確的順序返回一個包含此列表中所有元素的陣列（從第一個到最後一個元素）; 返回的陣列的執行時型別是指定陣列的執行時型別。
*/
public Object[] toArray() {
//elementData：要複製的陣列；size：要複製的長度
return Arrays.copyOf(elementData, size);
}
複製程式碼
個人覺得使用Arrays.copyOf()
方法主要是為了給原有陣列擴容，測試程式碼如下：
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);
}
}
複製程式碼
結果：
10 複製程式碼
3.3 兩者聯絡和區別
聯絡：
看兩者原始碼可以發現 copyOf() 內部實際呼叫了System.arraycopy()
方法
區別：
arraycopy()
需要目標陣列，將原陣列拷貝到你自己定義的數組裡或者原陣列，而且可以選擇拷貝的起點和長度以及放入新陣列中的位置copyOf()
是系統自動在內部新建一個數組，並返回該陣列。
四ensureCapacity
方法
ArrayList 原始碼中有一個ensureCapacity
方法不知道大家注意到沒有，這個方法 ArrayList 內部沒有被呼叫過，所以很顯然是提供給使用者呼叫的，那麼這個方法有什麼作用呢？
/**
如有必要，增加此 ArrayList 例項的容量，以確保它至少可以容納由minimum capacity引數指定的元素數。
*
* @paramminCapacity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);
}
}
複製程式碼
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
我們通過下面的程式碼實際測試以下這個方法的效果：
public class EnsureCapacityTest {
public static void main(String[] args) {
ArrayList<Object> list = new ArrayList<Object>();
final int N = 10000000;
long startTime = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < N; i++) {
list.add(i);
}
long endTime = System.currentTimeMillis();
System.out.println("使用ensureCapacity方法前："+(endTime - startTime));
list = new ArrayList<Object>();
long startTime1 = System.currentTimeMillis();
list.ensureCapacity(N);
for (int i = 0; i < N; i++) {
list.add(i);
}
long endTime1 = System.currentTimeMillis();
System.out.println("使用ensureCapacity方法後："+(endTime1 - startTime1));
}
}
複製程式碼
執行結果：
使用ensureCapacity方法前：4637 使用ensureCapacity方法前：241 複製程式碼
通過執行結果，我們可以很明顯的看出向 ArrayList 新增大量元素之前最好先使用ensureCapacity
方法，以減少增量從新分配的次數