Java集合之ArrayList扩容机制

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

ArrayList的构造函数

//默认初始容量大小（默认能添加10条数据）
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
//默认实例化一个空数组
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
//默认构造函数，使用初始容量为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) {
            this.elementData = new Object[initialCapacity];
        } else if (initialCapacity == 0) {
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        } else {
            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照顺序返回，如果指定的集合为空，则抛出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;
        }
    }

以无参数构造方式创建ArrayList时，实际上初始化赋值的是一个空数组（public ArrayList()）。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

一步步分析ArrayList扩容机制

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!!（增量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;
    }

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（第一次的较大值是DEFAULT_CAPACITY=10，minCapacity=1）
            minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }

        ensureExplicitCapacity(minCapacity);
    }

当要add进第一个元素时，minCapacity为1，在Math.max()方法比较后，minCapacity为10

ensureExplicitCapacity()方法

//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进第一个元素到ArrayList时，elementData.length为0（因为还是一个空的list，里面还没有数据，所以没有进行扩容，默认扩容10），因为执行了ensureCapacityInternal()方法，所以minCapacity此时为10。此时，minCapacity – elemetData.length > 0（minCapacity=10,elemetData.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。
知道添加第11个元素，minCapacity(为11)比elementData.length(为10)要大。进行grow方法进行扩容
grow方法

private void grow(int minCapacity) {
        // oldCapacity为旧容量，newCapacity为新容量
        int oldCapacity = elementData.length;//（0,10,15）
        //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，那么久把最小需要容量当作数组的新容量
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            newCapacity = minCapacity;
            //判断新容量是否大于集合的最大容量（一般大不了）
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
        // 给elementData从新赋值（10,15）
        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！

“>>”（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

通过例子探究一下grow()方法

当add第一个元素时，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rerurn,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元素，就调用此方法类查看！

System.arraycopy() 方法

// 将指定的元素插入此列表中的指定位置。  
// 如果当前位置有元素，则向右移动当前位于该位置的元素以及所有后续元素（将其索引加1）。  
public void add(int index, E element) {  
   if (index > size || index < 0)  
       throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+", Size: "+size);  
   // 如果数组长度不足，将进行扩容。  
   ensureCapacity(size+1);  // Increments modCount!!  
   // 将 elementData中从Index位置开始、长度为size-index的元素，  
   // 拷贝到从下标为index+1位置开始的新的elementData数组中。  
   // 即将当前位于该位置的元素以及所有后续元素右移一个位置。  
   // //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++;  
}

插入数据

public static void main(String[] args)
{
    List<String> list = new ArrayList<String>();
    list.add("111");
    list.add("222");
    list.add("333");
    list.add("444");
    list.add("555");
    list.add("666");
    list.add("777");
    list.add("888");
    list.add(2, "000");
    System.out.println(list);
}

看到插入的时候，按照指定位置，把从指定位置开始的所有元素利用System.arraycopy方法做一个整体的复制，向后移动一个位置（当然先要用ensureCapacity方法进行判断，加了一个元素之后数组会不会不够大），然后指定位置的元素设置为需要插入的元素，完成了一次插入的操作。用图表示这个过程是这样的
插入数据
“
在这个方法中最根本的方法就是System.arraycopy()方法，该方法的根本目的就是将index位置空出来以供新数据插入，这里需要进行数组数据的右移，这是非常麻烦和耗时的，所以如果指定的数据集合需要进行大量插入（中间插入）操作，推荐使用LinkedList。

删除数据

public E remove(int index) {
        if (index >= size)
            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));

        modCount++;
        E oldValue = (E) elementData[index];

        int numMoved = size - index - 1;
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                             numMoved);
        elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work

        return oldValue;
    }

public static void main(String[] args)
{
    List<String> list = new ArrayList<String>();
    list.add("111");
    list.add("222");
    list.add("333");
    list.add("444");
    list.add("555");
    list.add("666");
    list.add("777");
    list.add("888");
    list.remove("333");
}

删除数据
1、把指定元素后面位置的所有元素，利用System.arraycopy方法整体向前移动一个位置

2、最后一个位置的元素指定为null，这样让gc可以去回收它

int[]a = new int[10];
        a[0] =0;
        a[1] =1;
        a[2] =2;
        a[3] =3;
        a[4]=4;
        a[5]=5;
        a[6]=6;
        a[7]=7;
        a[8]=8;
        a[9]=9;
       System.arraycopy(a,2,a,3,7);
        for (int i=0;i<a.length;i++){
            System.out.println(i+"****"+a[i]);
        }

从原数组（a）中第2位开始往后面取三位(2.3.4)，然后copy到新数组(这里还是a)中，从第3位开始放（3.4.5被替换成原数组的2.3.4）

2019-04-15 17:50:27.658 28361-28361/? I/System.out: 0****0
2019-04-15 17:50:27.658 28361-28361/? I/System.out: 1****1
2019-04-15 17:50:27.658 28361-28361/? I/System.out: 2****2
2019-04-15 17:50:27.658 28361-28361/? I/System.out: 3****2
2019-04-15 17:50:27.658 28361-28361/? I/System.out: 4****3
2019-04-15 17:50:27.658 28361-28361/? I/System.out: 5****4
2019-04-15 17:50:27.658 28361-28361/? I/System.out: 6****5
2019-04-15 17:50:27.658 28361-28361/? I/System.out: 7****6
2019-04-15 17:50:27.658 28361-28361/? I/System.out: 8****7
2019-04-15 17:50:27.658 28361-28361/? I/System.out: 9****8