ArrayList扩容原理

今天带来的下饭菜是ArrayList的扩容源码解读。

相信大家对这盘菜都不陌生，我们经常使用它来定义一个集合，无论日常开发还是自己学习使用的频率是相当的高。

而且大家也都一定知道ArrayList集合是通过数组实现的，但是在声明一组数据的时候都会选择ArrayList而不是数组，原因就是由于这组数据的元素的数量不确定，如果使用数组的话，我们还得亲自维护数组的长度，这时你一定会说TMD烦死了；但如果使用了ArrayList，维护数组长度的事情就不用我们操心了，我们只需要对这组数据进行增、删、改、查即可，ArrayList会自动对内部的数组进行扩容，这时你又会说：郑(zhen)爽(shuang)，那么ArrayList是怎么做到自动扩容的呢？今天就通过阅读源码带大家一起探讨一下这个问题。

1、字段属性一览

先看一下ArrayList内部给我们定义了哪些属性，再看扩容的方法就不会很累

/** * 忽略，ArrayList实现了Serializable接口，支持序列化， * 声明这个属性是给jvm使用的 */

private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;



// 初始化默认容量为10

private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;



// 一个空的对象数组，



private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = { 

   };



/** * 一个空的对象数组， * 从命名来看是默认长度的空数组， * 因此我们就认为这个数组长度为10 */

private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = { 

   };



/** * 一个数组对象， * ArrayList底层是通过数组实现的，说的就是这个 * 我们对ArrayList的增删改查其实j就是对这个数组的增删改查 * transient关键字说明在序列化的时候忽略这个字段，与本文无关，不做过多解释 */

transient Object[] elementData;



/** * ArrayList的大小，指的是ArrayList中元素的个数， * 注意：与ArrayList的容量作区分，容量指的是elementData的长度 */

private int size;

2、锁定扩容方法

如果你找不到扩容的方法是哪一个，你可以想一下，什么时候能触发扩容，那必定是在添加元素的时候，容量不够了，所以才要扩容啊，因此我们找一下添加元素的方法

// 在末尾添加一个元素

public boolean add(E e) { 

   

    //size+1表示要添加这个元素，ArrayList的大小就成了size+1

    ensureCapacityInternal(size + 1);

    //element放在数组的最后一个位置，arrayList的元素数量加一

    elementData[size++] = e;

    // ...

}

//在指定位置添加一个元素

public void add(int index, E element) { 

   

    rangeCheckForAdd(index);

    //size+1表示要添加这个元素，ArrayList的容量至少为size+1

    ensureCapacityInternal(size + 1); 

    // element放在数组的最后一个位置

    elementData[index] = element;

    //arrayList的元素数量加一

    size++;

}

//在末尾添加一个集合

public boolean addAll(Collection c) { 

   

    Object[] a = c.toArray();

    int numNew = a.length;

    //size+numNew表示要添加这个集合，ArrayList的容量至少为size+numNew

    ensureCapacityInternal(size + numNew); 

    //...

    //arrayList的元素数量 + c的元素数量

    size += numNew;

    // ...

}

//在指定位置添加一个集合

public boolean addAll(int index, Collection c) { 

   

    rangeCheckForAdd(index);



    Object[] a = c.toArray();

    int numNew = a.length;

    //size+numNew表示要添加这个集合，ArrayList的容量至少为size+numNew

    ensureCapacityInternal(size + numNew);    //...

    //arrayList的元素数量 + c的元素数量

    size += numNew;

    // ...

}

可以看到，添加元素的方法有这么四个，每个方法都会调用一次跟容量相关的方法：ensureCapacityInternal(翻译:内部确定容量)，并将当前size+numNew(要添加的元素的数量)作为参数传给此方法。

3、查看ensureCapacityInternal方法，

// minCapacity表示ArrayList至少需要容量的大小

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) { 

   

  // 确定明确的容量 

  ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));

}

在确定明确的容量之前，我们得先调用calculateCapacity方法计算一下当前ArrayList的容量要扩展到多大，因为前面说过，ArrayList的默认容量就已经是10了，如果你现在只需要1的容量，那当然就不需要扩容了对吧。

4、查看calculateCapacity方法

private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) { 

   

  // 如果底层数组是默认容量的空数组，那就在默认容量和指定容量中取一个最大值，

  // 当然这就意味着 如果底层数组是默认容量空数组，就保证了我要扩至少为10的容量

  if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) { 

   

      return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);

  }

  return minCapacity;

}

如果底层数组是默认容量的空数组，那就在默认容量和指定容量中取一个最大值，当然这就意味着如果底层数组是默认容量空数组，就保证了要扩展至少为10的容量。
如果底层数组不是默认容量的空数组，那么指定的容量作为计算结果返回，意思就是ArrayList要将容量扩展到minCapacity。

5、查看ensureExplicitCapacity方法

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) { 

   

  // 因为要修改底层数组的结构，将修改次数加一，与扩容无关

  modCount++;



  // overflow-conscious code

  if (minCapacity - elementData.length > 0)

      grow(minCapacity);

}

这里明白人都能看得出来，扩容的逻辑就在grow方法里面了，但扩容的前提是指定的容量必须大于底层数组的长度(即当前容量)，因为如果当前容量为15，而指定的容量为12，那当然是不需要扩容的。

6、查看grow方法

private void grow(int minCapacity) { 

   

    // overflow-conscious code

    int oldCapacity = elementData.length;

    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);

    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);

}

看到这里才确定了最终扩展后的容量，
首先获取当前容量oldCapacity，将当前容量的二进制数右移1位后再转为十进制(你可以用笔算一下，其实就是当前容量的1.5倍)就是扩展后的容量即新的容量简称新容量(newCapacity)。
如果新容量比指定的容量小，那就将指定容量作为新容量，否则新容量就是当前容量的1.5倍。
如果新容量比最大数组容量(MAX_ARRAY_SIZE，即2的31次方-9)还要大，就需要通过hugeCapacity方法进一步确定新容量了，否则新容量依然是当前容量的1.5倍。

6.1、查看hugeCapacity方法

private static int hugeCapacity(int minCapacity) { 

   

  if (minCapacity < 0) // overflow

      throw new OutOfMemoryError();

  return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?

      Integer.MAX_VALUE :

      MAX_ARRAY_SIZE;

}

如果指定容量小于0，就抛一个内存溢出异常；

如果指定容量大于最大数组容量(MAX_ARRAY_SIZE，即2的31次方-9)，就返回最大的整数2的31次方减一，否则就返回最大数组容量。

注：最大整数为2的31次方-1，最大数组容量为最大整数-8

在ArrayList类中可以看到这样的常量定义

/** * The maximum size of array to allocate. * Some VMs reserve some header words in an array. * Attempts to allocate larger arrays may result in * OutOfMemoryError: Requested array size exceeds VM limit */

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

为什么最大数组容量要比最大整数相差为8呢？

注释是这么说的：一些VM在数组中保留一些标题字。尝试分配更大的数组可能会导致OutOfMemoryError：请求的数组大小超过VM限制。

看到这里我不禁感叹，太细节了。

6.2、再回到grow方法，查看调用hugeCapacity方法这一行

if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)

        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);

如果新容量比最大数组容量(MAX_ARRAY_SIZE，即2的31次方-9)还要大，
而且指定容量minCapacity也比最大数组容量大，那么就将最大整数作为新容量；
但如果指定容量minCapacity在0和最大数组容量之间，那么就将最大数组容量作为新容量。
我认为这一步的判断是个细节，关于当数组长度到达天花板时长度该如何分配的问题，但很多资料中并未提及。

最终确定好新容量后，就执行
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
将底层数组elementData和新容量作为参数传给copyOf方法，并以底层数组elementData作为方法的执行结果。那么我们来看接下来是怎么改变底层数组elementData的长度的。

7、查看Arrays.copyOf(elementData, newCapacity)方法

public static  T[] copyOf(T[] original, int newLength) { 

   

  return (T[]) copyOf(original, newLength, original.getClass());

}

这个方法就是创建一个类型相同，长度为newLength的数组，并将其返回。
可以看到，Arrays.copyOf(elementData, newCapacity)方法调用了他的重载方法
(T[]) copyOf(original, newLength, original.getClass())

8、查看copyOf(original, newLength, original.getClass())方法

public static  T[] copyOf(U[] original, int newLength, Class newType) { 

   

    @SuppressWarnings("unchecked")

    T[] copy = ((Object)newType == (Object)Object[].class)

        ? (T[]) new Object[newLength]

        : (T[]) Array.newInstance(newType.getComponentType(), newLength);

    System.arraycopy(original, 0, copy, 0,

                     Math.min(original.length, newLength));

    return copy;

}

这个方法就是根据原数组original返回一个类型为newType，长度为newLength的数组。
这个方法参数有点多，所以首先一点要清楚调用该方法时传入的参数是什么：
U[] original 原数组：底层数组elementData，数组类型为泛型U的数组
int newLength 新数组的长度：新容量newCapacity
Class newType 新数组的类型：底层数组elementData的类型

其实就是先判断新数组和Object[]是否类型相同，
如果相同，就直接定义一个长度为newLength的Object数组T[]
如果不相同，就通过Array.newInstance创建一个长度为newLength、元素类型为T的数组T[]。
反正就是定义了一个新的、长度为newLength的**空数组T[]**呗。

接着调用了System.arraycopy方法，我们再看看他干了些什么

9、查看System.arraycopy方法

public static native void arraycopy(Object src,  int  srcPos,

                                        Object dest, int destPos,

                                        int length);

大家发现了吗？此方法有一个关键字native，说明该方法是本地方法，并不存在于jdk中，而是JVM提供的使用C语言编写的方法实现，调用native方法就是调用jvm内部的C语言方法，这里不过多讲解，点到为止，如有兴趣，自行百度。

该方法就是从源数组src的第srcPos个位置起，将每个元素依次复制到目的数组dest的第destPos个位置上，复制元素的数量为length。

结合代码逻辑我们可以梳理一下：
在copyOf(original, newLength, original.getClass())方法中，定义了一个长度为新容量newCapacity、类型为源数组类型的数组T[]。
再调用System.arraycopy方法，从第0个元素开始，将底层数组elementData中的元素依次复制到新数组T[]中，而且被复制元素的个数=底层数组elementData的元素数量，最后再把新数组T[]返回，并且让底层数组elementData指向此新数组T[]。

以后再通过ArrayList对其元素进行增、删、改、查操作时，底层所操作的数组就是这个新的数组T[]。
接下来就是对ArrayList中的元素数量size进行操作了，回到第二节可以看出，新增单个元素时，size将自增，新增一个集合时，size=size+新增集合的元素个数。

通过源码解读，ArrayList的扩容原理你应该明白了吧。

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ensureCapacityInternal和ensureCapacity的区别

不知道小伙伴们在查看源码的时候有没有注意到，其实ArrayList给我们提供了两个扩展容量的方法：

// 第一种

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) { 

   

  ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));

}



//第二种

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);

  }

}

这两种方法都是用来扩展容量的，他们之间的区别也是显而易见的。

第一种方法名称翻译过来就是内部确定容量，而且他的访问修饰符是private，也就是说这个方法只能在当前类内部进行调用。

第二种方法名称翻译过来就是确定容量，他的访问修饰符是public，也就是说我们可以在任何地方对ArrayList进行直接扩容。
而且此方法做了更详细的判断，如果我们在声明ArrayList对象的时候指定了他的初始容量，那么扩容后的容量就是我们传入的参数；如果没有指定他的初始容量，那么扩容后的容量至少为10。

总结

1、自动扩容的新容量的大小是原容量的1.5倍
2、一般来讲扩容后的最大容量为最大数组长度，即最大整数-8
3、若ArrayList中元素的数量大于最大数组长度，则扩容后的容量为最大整数
4、扩容将会产生一个新的长度更大的数组
5、我们可以通过直接调用ensureCapacity方法，手动对ArrayList进行扩容。且扩容后的容量至少为10