ArrayList自动扩容原理（底层实现）

雨点打透心脏的1/2处 2022-04-18 06:54 420阅读 0赞

# 探索ArrayList #

ArrayList的列表对象实质上是存储在一个引用型数组里的，有人认为该数组有“自动增长机制”可以自动改变size大小。正式地说，该数组是无法改变 大小的，实际上它只是改变了该引用型数组的指向而已。下面，让我们来看看java是怎样实现ArrayList类的。

一、ArrayList类的实质

*  ArrayList底层采用Object类型的数组实现，当使用不带参数的构造方法生成ArrayList对象时， 实际上会在底层生成一个长度为10的Object类型数组。
 *  首先，ArrayList定义了一个私有的未被序列化的数组elementData，用来存储ArrayList的对象列表（注意只定义未初始）：private transient Object\[\] elementData;
 *  其次，以指定初始容量（Capacity）或把指定的Collection转换为引用型数组后实例化elementData数组；如果没有指定，则预置初始容量为10进行实例化。把私有数组预先实例化，然后通过copyOf方法覆盖原数组，是实现自动改变ArrayList的大小(size)的关键。ArrayList的构造方法源码如下：
    
        //用指定的初始容量构造一个空列表。
        
            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);
        
            }
        
        }
    
    二、ArrayList实现自动改变size机制
    
         为了实现这一机制，java引进了Capacity和size概念，以区别数组的length。为了保证用户增加新的列表对象，java设置了最小容量（minCapacity） ，通常情况上，它大于列表对象的数目，所以Capactiy虽然就是底层数组的长度（length），但是对于最终用户来讲，它是无意义的。而size存储着列表 对象的数量，才是最终用户所需要的。为了防止用户错误修改，这一属性被设置为privae的，不过可以通过size()获取。
    
    下面，对ArrayList的初始以及其列表对象的增加和删除等三种情况下的size自动改变机制进行分析
    
    1.  初始Capacity和size值。 从上面给出的ArrayList构造方法源码中，我们不难看出Capacity初始值（initialCapacity）可以由用户直接指定或由用户指定的Collection集合存 储的对象数目确定，如果没有指定，系统默认为10。而size的被声明为int型变量，默认为0，当用户指定Collection创建ArrayList时，size值等于 initialCapacity。
    2.  add()方法 该方法的源码如下：
    
        public boolean add(E e) {
            ensureCapacityInternal(size + 1);
            elementData[size++] = e;//添加对象时，自增size
            return true;
        }
    
    方法中调用的ensureCapacityInternal主要用来调整容量，修改elementData数组的指向。其中涉及到3个方法的调用，其核心在于grow方法：
    
        private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
            modCount++;//定义于ArrayList的父类AbstractList，用于存储结构修改次数
            // overflow-conscious code
            if (minCapacity - elementData.length > 0)
                grow(minCapacity);
        }  
        private void grow(int minCapacity) {
            // overflow-conscious code
            int oldCapacity = elementData.length;
            int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);//新容量扩大到原容量的1.5倍，右移一位相关于原数值除以2。
            if (newCapacity - minCapacity < 0)
                newCapacity = minCapacity;
            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;//MAX_ARRAY_SIZE和Integer.MAX_VALUE为常量，详细请参阅下面的注解
        }
    
    通过以上代码，我们可知java自动增加ArrayList大小的思路是：向ArrayList添加对象时，原对象数目加1如果大于原底层数组长度，则以适当长度新 建一个原数组的拷贝，并修改原数组，指向这个新建数组。原数组自动抛弃（java垃圾回收机制会自动回收）。size则在向数组添加对象，自增1。
    
    注解： //定义于该类的常量，用来分配数组的size最大值。一些 VMs在数组里保留字头，试图分配更大数组时可能导致OutOfMemoryError:被请求数组的 size超出VM界限。
 *

private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
       //在java.lang.Integer类中常量MIN_VALUE、MAX_VALUE如下：
       public static final int   MIN_VALUE = 0x80000000;//整型取值区间下界：－2147483648
       public static final int   MAX_VALUE = 0x7fffffff;//整型取值区间上界：2147483647
    　　//在java.util.AbstractList中modCount定义如下：
    　　protected transient int modCount = 0;

3. remove()方法 该重构方法其一源码如下（其它的就不累述了）：

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);//将后面的列表对象前移
            elementData[--size] = null; // 数组前移一位，size自减，空出来的位置置null，具体的对象的销毁由Junk收集器负责
            return oldValue;
        }
        private void rangeCheck(int index) {//边界检查
            if (index < 0 || index >= this.size)
               throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
        }
        E elementData(int index) {//获取指定index所在位置的对象
            return (E) elementData[index];
        }

通过remove()源码的学习，我们不难看出，其改变ArrayList大小的核心与add()方法相似，都是同数组拷贝。 另外，如果确有必要，用户也可以指定ArrayList实例的容量，可以有效的降低时间成本。它是通过调用ensureCapacityInternal来实现的，源代码 如下：

public void ensureCapacity(int minCapacity) {
            if (minCapacity > 0)
                ensureCapacityInternal(minCapacity);
        }
        因为size为private的，java给出方法来访问它：
        public int size() {
             checkForComodification();
             return this.size;
        }

综上所述，在用户向ArrayList追加对象时，Java总是要先计算容量（Capacity）是否适当，若容量不足则把原数组拷贝到以指定容量为长度创建的 新数组内，并对原数组变量重新赋值，指向新数组。在这同时，size进行自增1。在删除对象时，先使用拷贝方法把指定index后面的对象前移1位（如果 有的话），然后把空出来的位置置null，交给Junk收集器销毁，size自减1。