【面試必備】透過原始碼角度一步一步帶你分析 ArrayList 擴容機制

SnailClimb發表於2019-01-19
面試原始碼

該文已加入開源文件：JavaGuide（一份涵蓋大部分Java程式設計師所需要掌握的核心知識）。地址:https://github.com/Snailclimb…

一 先從 ArrayList 的建構函式說起

ArrayList有三種方式來初始化，構造方法原始碼如下：

   /**
     * 預設初始容量大小
     */
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
    

    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

    /**
     *預設建構函式，使用初始容量10構造一個空列表(無引數構造)
     */
    public ArrayList() {
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
    
    /**
     * 帶初始容量引數的建構函式。（使用者自己指定容量）
     */
    public ArrayList(int initialCapacity) {
        if (initialCapacity > 0) {//初始容量大於0
            //建立initialCapacity大小的陣列
            this.elementData = new Object[initialCapacity];
        } else if (initialCapacity == 0) {//初始容量等於0
            //建立空陣列
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        } else {//初始容量小於0，丟擲異常
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                               initialCapacity);
        }
    }


   /**
    *構造包含指定collection元素的列表，這些元素利用該集合的迭代器按順序返回
    *如果指定的集合為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;
        }
    }

細心的同學一定會發現 ：以無引數構造方法建立 ArrayList 時，實際上初始化賦值的是一個空陣列。當真正對陣列進行新增元素操作時，才真正分配容量。即向陣列中新增第一個元素時，陣列容量擴為10。 下面在我們分析 ArrayList 擴容時會降到這一點內容！

二 一步一步分析 ArrayList 擴容機制

這裡以無參建構函式建立的 ArrayList 為例分析

1. 先來看 add 方法

    /**
     * 將指定的元素追加到此列表的末尾。 
     */
    public boolean add(E e) {
   //新增元素之前，先呼叫ensureCapacityInternal方法
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        //這裡看到ArrayList新增元素的實質就相當於為陣列賦值
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }

2. 再來看看 ensureCapacityInternal() 方法

可以看到 add 方法 首先呼叫了ensureCapacityInternal(size + 1)

   //得到最小擴容量
    private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
              // 獲取預設的容量和傳入引數的較大值
            minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }

        ensureExplicitCapacity(minCapacity);
    }

當 要 add 進第1個元素時，minCapacity為1，在Math.max()方法比較後，minCapacity 為10。

3. ensureExplicitCapacity() 方法

如果呼叫 ensureCapacityInternal() 方法就一定會進過（執行）這個方法，下面我們來研究一下這個方法的原始碼！

  //判斷是否需要擴容
    private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        modCount++;

        // overflow-conscious code
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            //呼叫grow方法進行擴容，呼叫此方法代表已經開始擴容了
            grow(minCapacity);
    }

我們來仔細分析一下：

  • 當我們要 add 進第1個元素到 ArrayList 時，elementData.length 為0 （因為還是一個空的 list），因為執行了 ensureCapacityInternal() 方法 ，所以 minCapacity 此時為10。此時，minCapacity - elementData.length > 0 成立，所以會進入 grow(minCapacity) 方法。
  • 當add第2個元素時，minCapacity 為2，此時e lementData.length(容量)在新增第一個元素後擴容成 10 了。此時，minCapacity - elementData.length > 0 不成立，所以不會進入 （執行）grow(minCapacity) 方法。
  • 新增第3、4···到第10個元素時，依然不會執行grow方法，陣列容量都為10。

直到新增第11個元素，minCapacity(為11)比elementData.length（為10）要大。進入grow方法進行擴容。

4. grow() 方法

    /**
     * 要分配的最大陣列大小
     */
    private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

    /**
     * ArrayList擴容的核心方法。
     */
    private void grow(int minCapacity) {
        // oldCapacity為舊容量，newCapacity為新容量
        int oldCapacity = elementData.length;
        //將oldCapacity 右移一位，其效果相當於oldCapacity /2，
        //我們知道位運算的速度遠遠快於整除運算，整句運算式的結果就是將新容量更新為舊容量的1.5倍，
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        //然後檢查新容量是否大於最小需要容量，若還是小於最小需要容量，那麼就把最小需要容量當作陣列的新容量，
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            newCapacity = minCapacity;
       // 如果新容量大於 MAX_ARRAY_SIZE,進入(執行) `hugeCapacity()` 方法來比較 minCapacity 和 MAX_ARRAY_SIZE，
       //如果minCapacity大於最大容量，則新容量則為`Integer.MAX_VALUE`，否則，新容量大小則為 MAX_ARRAY_SIZE 即為 `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 每次擴容之後容量都會變為原來的 1.5 倍！ 記清楚了！不是網上很多人說的 1.5 倍+1！

“>>”（移位運算子）：>>1 右移一位相當於除2，右移n位相當於除以 2 的 n 次方。這裡 oldCapacity 明顯右移了1位所以相當於oldCapacity /2。對於大資料的2進位制運算,位移運算子比那些普通運算子的運算要快很多,因為程式僅僅移動一下而已,不去計算,這樣提高了效率,節省了資源 　

我們再來通過例子探究一下grow() 方法 ：

  • 當add第1個元素時，oldCapacity 為0，經比較後第一個if判斷成立，newCapacity = minCapacity(為10)。但是第二個if判斷不會成立，即newCapacity 不比 MAX_ARRAY_SIZE大，則不會進入 hugeCapacity 方法。陣列容量為10，add方法中 return true,size增為1。
  • 當add第11個元素進入grow方法時，newCapacity為15，比minCapacity（為11）大，第一個if判斷不成立。新容量沒有大於陣列最大size，不會進入hugeCapacity方法。陣列容量擴為15，add方法中return true,size增為11。
  • 以此類推······

這裡補充一點比較重要，但是容易被忽視掉的知識點：

  • java 中的 length 屬性是針對陣列說的,比如說你宣告瞭一個陣列,想知道這個陣列的長度則用到了 length 這個屬性.
  • java 中的 length() 方法是針對字串說的,如果想看這個字串的長度則用到 length() 這個方法.
  • java 中的 size() 方法是針對泛型集合說的,如果想看這個泛型有多少個元素,就呼叫此方法來檢視!

5. hugeCapacity() 方法。

從上面 grow() 方法原始碼我們知道： 如果新容量大於 MAX_ARRAY_SIZE,進入(執行) hugeCapacity() 方法來比較 minCapacity 和 MAX_ARRAY_SIZE，如果minCapacity大於最大容量，則新容量則為Integer.MAX_VALUE，否則，新容量大小則為 MAX_ARRAY_SIZE 即為 Integer.MAX_VALUE - 8。

    private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
        if (minCapacity < 0) // overflow
            throw new OutOfMemoryError();
        //對minCapacity和MAX_ARRAY_SIZE進行比較
        //若minCapacity大，將Integer.MAX_VALUE作為新陣列的大小
        //若MAX_ARRAY_SIZE大，將MAX_ARRAY_SIZE作為新陣列的大小
        //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

閱讀原始碼的話，我們就會發現 ArrayList 中大量呼叫了這兩個方法。比如：我們上面講的擴容操作以及add(int index, E element)、toArray() 等方法中都用到了該方法！

3.1 System.arraycopy() 方法

    /**
     * 在此列表中的指定位置插入指定的元素。 
     *先呼叫 rangeCheckForAdd 對index進行界限檢查；然後呼叫 ensureCapacityInternal 方法保證capacity足夠大；
     *再將從index開始之後的所有成員後移一個位置；將element插入index位置；最後size加1。
     */
    public void add(int index, E element) {
        rangeCheckForAdd(index);

        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        //arraycopy()方法實現陣列自己複製自己
        //elementData:源陣列;index:源陣列中的起始位置;elementData：目標陣列；index + 1：目標陣列中的起始位置； size - index：要複製的陣列元素的數量；
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index);
        elementData[index] = element;
        size++;
    }

我們寫一個簡單的方法測試以下：

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, 3, 3);
        a[2]=99;
        for (int i = 0; i < a.length; i++) {
            System.out.println(a[i]);
        }
    }

}

結果：

0 1 99 2 3 0 0 0 0 0

3.2 Arrays.copyOf()方法

   /**
     以正確的順序返回一個包含此列表中所有元素的陣列（從第一個到最後一個元素）; 返回的陣列的執行時型別是指定陣列的執行時型別。 
     */
    public Object[] toArray() {
    //elementData：要複製的陣列；size：要複製的長度
        return Arrays.copyOf(elementData, size);
    }

個人覺得使用 Arrays.copyOf()方法主要是為了給原有陣列擴容，測試程式碼如下：

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);
    }
}

結果：

10

3.3 兩者聯絡和區別

聯絡：

看兩者原始碼可以發現 copyOf() 內部實際呼叫了 System.arraycopy() 方法

區別：

arraycopy() 需要目標陣列，將原陣列拷貝到你自己定義的陣列裡或者原陣列，而且可以選擇拷貝的起點和長度以及放入新陣列中的位置 copyOf() 是系統自動在內部新建一個陣列，並返回該陣列。

四 ensureCapacity方法

ArrayList 原始碼中有一個 ensureCapacity 方法不知道大家注意到沒有，這個方法 ArrayList 內部沒有被呼叫過，所以很顯然是提供給使用者呼叫的，那麼這個方法有什麼作用呢？

    /**
    如有必要，增加此 ArrayList 例項的容量，以確保它至少可以容納由minimum capacity引數指定的元素數。
     *
     * @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，以減少增量從新分配的次數

我們通過下面的程式碼實際測試以下這個方法的效果：

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方法後："+(endTime1 - startTime1));
    }
}

執行結果：

使用ensureCapacity方法前：4637
使用ensureCapacity方法前：241

通過執行結果，我們可以很明顯的看出向 ArrayList 新增大量元素之前最好先使用ensureCapacity 方法，以減少增量從新分配的次數

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