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【面试必备】源码角度一步一步分析 ArrayList 扩容机制

技术杂谈 勤劳的小蚂蚁 3个月前 (02-07) 63次浏览 已收录 0个评论 扫描二维码

    一 先从 ArrayList 的构造函数说起

    ArrayList有三种方式来初始化,构造方法源码如下:
       /**
         * 默认初始容量大小
         */
        private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;


        private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

        /**
         *默认构造函数,使用初始容量10构造一个空列表(无参数构造)
         */
        public ArrayList() {
            this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
        }

        /**
         * 带初始容量参数的构造函数。(用户自己指定容量)
         */
        public ArrayList(int initialCapacity) {
            if (initialCapacity > 0) {//初始容量大于0
                //创建initialCapacity大小的数组
                this.elementData = new Object[initialCapacity];
            } else if (initialCapacity == 0) {//初始容量等于0
                //创建空数组
                this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
            } else {//初始容量小于0,抛出异常
                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;
            }
        }
    细心的同学一定会发现 :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 扩容时会降到这一点内容!

    二 一步一步分析 ArrayList 扩容机制

    我这里以无参构造函数创建的 ArrayList 为例分析。

    1. 先来看 `add` 方法

        /**
         * 将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,先调用ensureCapacityInternal方法
            ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
            //这里看到ArrayList添加元素的实质就相当于为数组赋值
            elementData[size++] = e;
            return true;

        }

    2. 再来看看 `ensureCapacityInternal()` 方法

    可以看到 add 方法 首先调用了ensureCapacityInternal(size + 1)
       //得到最小扩容量
        private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
            if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
                  // 获取默认的容量和传入参数的较大值
                minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
            }

            ensureExplicitCapacity(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。

    3. `ensureExplicitCapacity()` 方法

    如果调用 ensureCapacityInternal() 方法就一定会进过(执行)这个方法,下面我们来研究一下这个方法的源码!
      //判断是否需要扩容
        private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
            modCount++;

            // overflow-conscious code
            if (minCapacity – elementData.length > 0)
                //调用grow方法进行扩容,调用此方法代表已经开始扩容了
                grow(minCapacity);

        }

    我们来仔细分析一下:
    • 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elementData.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。

    4. `grow()` 方法

        /**
         * 要分配的最大数组大小
         */
        private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE – 8;

        /**
         * ArrayList扩容的核心方法。
         */
        private void grow(int minCapacity) {
            // oldCapacity为旧容量,newCapacity为新容量
            int oldCapacity = elementData.length;
            //将oldCapacity 右移一位,其效果相当于oldCapacity /2,
            //我们知道位运算的速度远远快于整除运算,整句运算式的结果就是将新容量更新为旧容量的1.5倍,
            int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
            //然后检查新容量是否大于最小需要容量,若还是小于最小需要容量,那么就把最小需要容量当作数组的新容量,
            if (newCapacity – minCapacity < 0)
                newCapacity = minCapacity;
           // 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`。
            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 每次扩容之后容量都会变为原来的 1.5 倍! 记清楚了!不是网上很多人说的 1.5 倍+1!
    “>>”(移位运算符):>>1 右移一位相当于除2,右移n位相当于除以 2 的 n 次方。这里 oldCapacity 明显右移了1位所以相当于oldCapacity /2。对于大数据的2进制运算,位移运算符比那些普通运算符的运算要快很多,因为程序仅仅移动一下而已,不去计算,这样提高了效率,节省了资源  
    我们再来通过例子探究一下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:
    • java 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.
    • java 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.
    • java 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!

    5. `hugeCapacity()` 方法。

    从上面 grow() 方法源码我们知道: 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
        private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
            if (minCapacity < 0// overflow
                throw new OutOfMemoryError();
            //对minCapacity和MAX_ARRAY_SIZE进行比较
            //若minCapacity大,将Integer.MAX_VALUE作为新数组的大小
            //若MAX_ARRAY_SIZE大,将MAX_ARRAY_SIZE作为新数组的大小
            //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

    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!

    3.1 `System.arraycopy()` 方法

        /**
         * 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!!
            //arraycopy()方法实现数组自己复制自己
            //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++;
        }
    我们写一个简单的方法测试以下:
    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, 33);
            a[2]=99;
            for (int i = 0; i < a.length; i++) {
                System.out.println(a[i]);
            }
        }

    }

    结果:
    0 1 99 2 3 0 0 0 0 0 

    3.2 `Arrays.copyOf()`方法

       /**
         以正确的顺序返回一个包含此列表中所有元素的数组(从第一个到最后一个元素); 返回的数组的运行时类型是指定数组的运行时类型。 
         */
        public Object[] toArray() {
        //elementData:要复制的数组;size:要复制的长度
            return Arrays.copyOf(elementData, size);
        }
    个人觉得使用 Arrays.copyOf()方法主要是为了给原有数组扩容,测试代码如下:
    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);
        }

    }

    结果:
    10

    3.3 两者联系和区别

    联系:
    看两者源代码可以发现 copyOf() 内部实际调用了 System.arraycopy() 方法
    区别:
    arraycopy() 需要目标数组,将原数组拷贝到你自己定义的数组里或者原数组,而且可以选择拷贝的起点和长度以及放入新数组中的位置 copyOf() 是系统自动在内部新建一个数组,并返回该数组。

    四 `ensureCapacity` 方法

    ArrayList 源码中有一个 ensureCapacity 方法不知道大家注意到没有,这个方法 ArrayList 内部没有被调用过,所以很显然是提供给用户调用的,那么这个方法有什么作用呢?
        /**
        如有必要,增加此 ArrayList 实例的容量,以确保它至少可以容纳由minimum capacity参数指定的元素数。
         *
         * @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,以减少增量从新分配的次数
    我们通过下面的代码实际测试以下这个方法的效果:
    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方法后:”+(endTime1 – startTime1));
        }

    }

    运行结果:
    使用ensureCapacity方法前:4637
    使用ensureCapacity方法前:241
    通过运行结果,我们可以很明显的看出向 ArrayList 添加大量元素之前最好先使用ensureCapacity 方法,以减少增量从新分配的次数


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