Java中的ArrayList容量及扩容方式

编辑: admin 分类: java 发布时间: 2021-12-03 来源:互联网

查看JDK1.8 ArrayList的源代码

1、默认初始容量为10

   /**
     * Default initial capacity.
     */
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

2、最大容量为 Integer.MAX_VALUE - 8

    /**
     * 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;

原因：之前参考别人的，有待求证：

数组对象有一个额外的元数据，用于表示数组的大小；

数组长度size为int类型，共32位，有一位符号位，所以最大长度为Integer.MAX_VALUE=2^31= 2,147,483,648；

8bytes用来存储size；

3、扩容方式：

（1）首先传递进来一个希望的最小容量minCapacity；

（2）新容量newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1)，即新容量等于原容量的1.5倍；

（3）如果minCapacity > newCapacity ，newCapacity = minCapacity ;

（4）如果 newCapacity > 最大容量 MAX_ARRAY_SIZE ，newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);

（5）以新容量拷贝原数据

   /**
     * Increases the capacity to ensure that it can hold at least the
     * number of elements specified by the minimum capacity argument.
     *
     * @param minCapacity the desired minimum capacity
     */
    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);
    }
 
    private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
        if (minCapacity < 0) // overflow
            throw new OutOfMemoryError();
        return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
            Integer.MAX_VALUE :
            MAX_ARRAY_SIZE;
    }

Java ArrayList() 扩容原理

平常都是直接使用 ArrayList()，今天特地看一下 ArrayList() 的扩容原理。

先看下 ArrayList 的属性以及构造方法，这个比较重要

先看下属性

// ArrayList 默认容量大小
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
// 一个共享的空数组, 在空实例时使用
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
// 一个共享的空数组, 在使用默认 size 的空实例时使用
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/*
存储 ArrayList 元素的数组缓冲区
重点1: ArrayList 的容量是数组缓冲区的长度
重点2: 从这个元素也可以看的出来 ArrayList() 的底层就是一个 Object[]  
add 第一个元素时, 任何带有 elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 的空 ArrayList 都将被扩展为 DEFAULT_CAPACITY
*/
transient Object[] elementData;
// ArrayList 的大小, 我们平常使用的 list.size() 底层就是记录的这个 size
private int size;
// ArrayList 最大
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

再看构造器，带参构造器

/*
带参构造器, 参数为容量大小, 例如: 初始化一个容器为 20 类型为 Integer 的 ArrayList
ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>(20);
*/
public ArrayList(int initialCapacity) {
 /*
 初始化容量 > 0, elementData 初始化为初始化容量大小的数组
 初始化容量 = 0, elementData = EMPTY_ELEMENTDATA (空数组)
 初始化容量 < 0, 直接抛出异常
 */
    if (initialCapacity > 0) {
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
    } else if (initialCapacity == 0) {
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    } else {
        throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                           initialCapacity);
    }
}

参数为 Collection 的构造器

/*
将一个参数为 Collection 的集合转换为 ArrayList
*/
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
    // Collection 转换为数组 Object[] 类型 
    elementData = c.toArray();
    // 判断当前对象大小是否和 Collection 长度相等并且不等于 0, false 的话 elementData 等于空数组了
    if ((size = elementData.length) != 0) {
     // c.toArray() 可能不会正确地返回一个 Object[] 数组，所以使用 Arrays.copyOf()
        if (elementData.getClass() != Object[].class)
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
    } else {
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
}

不带参构造器

/*
不带参构造器就像我们平时使用一样, 直接 new 一个 ArrayList 不需要传递任何参数
构造方法中直接将 elementData 初始化为 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA (空数组)
*/
public ArrayList() {
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

看到这里就发现，带参的构造器我们可以直接传递参数，而默认的构造器怎么怎么样初始化容量大小的呢？

add() 方法可以直接得到答案。

public boolean add(E e) {
 // 这一行是关键, 看下面
    ensureCapacityInternal(size + 1);
    // 将元素追加到集合的末尾 假如当前 size = 10 size++ 追加到第 11 位
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

ensureCapacityInternal() 方法调用

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
 /*
 calculateCapacity() 方法, 刚初始化时会返回 10, 其他情况返回当前 size + 1
 ensureExplicitCapacity() 方法, 调用扩容
 */
    ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}
private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) { 
 /*
 使用无参构造器创建创建 ArrayList 的集合, 此时一定是相等的
 */
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
     /*
     两数相比返回最大值, 此时 Math.max(10, 1); 
     默认容量, 由此而来
     */
        return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    // 不相等的话只有返回当前的 size + 1
    return minCapacity;
}
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    // 增量, 记录修改/更新次数
    modCount++;  
    
     // 初始化: 10 - 0 > 0
     // 其他: size + 1 > 0
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
     // 扩容操作
        grow(minCapacity);
}
private void grow(int minCapacity) {
    // 老的长度, 初始化时为 0, 
    int oldCapacity = elementData.length;
    // 新的长度此时 0 + (0 >> 1), newCapacity = 0
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    // 初始化场景: 0 - 10 < 0 ? true newCapacity = 10
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    // 初始化场景: 10 - 2147483639 > 0 返回 false
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
     // 超大长度才可以执行这个方法, 必须大于 MAX_ARRAY_SIZE 一般不会
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    // 复制原数组中的元素, 并扩容
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

上看说的是初始化场景，下面看一下其他场景，也是相当简单

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
 /*
 calculateCapacity() 方法, 正常扩容返回 size + 1, 比如 10 + 1, 因为默认长度为 10 当再次新增数据时就会出发扩容
 ensureExplicitCapacity() 方法, 调用扩容
 */
    ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}
private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) { 
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    /*
 elementData 不等于空数组
 返回当前的 size + 1, 即 10 + 1 返回 11
 */
    return minCapacity;
}
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    // 增量, 记录修改/更新次数
    modCount++;  
    
    // 其他: 11 - 10 > 0 true, 触发扩容, 如果当前下表是 5 的话 5 + 1 =6, 6 < 10 是, 此时不会出发扩容
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
     // 扩容操作
        grow(minCapacity);
}
private void grow(int minCapacity) {
    // 老的长度 10
    int oldCapacity = elementData.length;
    // 新的长度此时 10 + (10 >> 1), newCapacity = 15
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    // 15 - 11 < 0 ? false
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    // 15 - 2147483639 > 0 返回 false
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
     // 超大长度才可以执行这个方法, 必须大于 MAX_ARRAY_SIZE 一般不会
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    // 复制原数组中的元素, 并扩容 newCapacity = 15
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

结论

1、触发扩容的关键是

当前 size + 1 是否大于当前容量，如果大于容量则证明，集合不够用了，需要扩容。如果小与当前容量则证明集合还有容量不需要扩容！

2、每次扩容的大小是

oldCapacity + (oldCapacity >> 1) 即: 10 + (10 >> 1)

即：当前容量的 1.5 倍！

以上为个人经验，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持自由互联。

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