ArrayList是List接口的實現(xiàn)類，它是支持根據(jù)需要而動態(tài)增長的數(shù)組。java中標(biāo)準(zhǔn)數(shù)組是定長的，在數(shù)組被創(chuàng)建之后，它們不能被加長或縮短。這就意味著在創(chuàng)建數(shù)組時需要知道數(shù)組的所需長度，但有時我們需要動態(tài)程序中獲取數(shù)組長度。ArrayList就是為此而生的,但是它不是線程安全的，外ArrayList按照插入的順序來存放數(shù)據(jù)
①ArrayList擴(kuò)容發(fā)生在add()方法調(diào)用的時候， 調(diào)用ensureCapacityInternal()來擴(kuò)容的， 通過方法calculateCapacity(elementData, minCapacity)獲取需要擴(kuò)容的長度:
②ensureExplicitCapacity方法可以判斷是否需要擴(kuò)容：
③ArrayList擴(kuò)容的關(guān)鍵方法grow(): 獲取到ArrayList中elementData數(shù)組的內(nèi)存空間長度 擴(kuò)容至原來的1.5倍
④調(diào)用Arrays.copyOf方法將elementData數(shù)組指向新的內(nèi)存空間時newCapacity的連續(xù)空間 從此方法中我們可以清晰的看出其實ArrayList擴(kuò)容的本質(zhì)就是計算出新的擴(kuò)容數(shù)組的size后實例化，并將原有數(shù)組內(nèi)容復(fù)制到新數(shù)組中去。
計算機(jī)常用術(shù)語： CRUD =====增加(Create)、檢索(Retrieve)、更新(Update)和刪除(Delete)
一 、先從 ArrayList 的構(gòu)造函數(shù)說起
ArrayList有三種方式來初始化，構(gòu)造方法源碼如下：
/**
- 默認(rèn)初始容量大小
/
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/*
默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)，使用初始容量10構(gòu)造一個空列表(無參數(shù)構(gòu)造)
/
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
/ - 帶初始容量參數(shù)的構(gòu)造函數(shù)。（用戶自己指定容量）
/
public ArrayList(int initialCapacity) {
if (initialCapacity > 0) {//初始容量大于0
//創(chuàng)建initialCapacity大小的數(shù)組
this.elementData = new Object[initialCapacity];
} else if (initialCapacity == 0) {//初始容量等于0
//創(chuàng)建空數(shù)組
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
} else {//初始容量小于0，拋出異常
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+initialCapacity);
}
}
/*
*構(gòu)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(xì)心的同學(xué)一定會發(fā)現(xiàn) ：以無參數(shù)構(gòu)造方法創(chuàng)建 ArrayList 時，實際上初始化賦值的是一個空數(shù)組。當(dāng)真正對數(shù)組進(jìn)行添加元素操作時，才真正分配容量。即向數(shù)組中添加第一個元素時，數(shù)組容量擴(kuò)為10。下面在我們分析 ArrayList 擴(kuò)容時會講到這一點內(nèi)容！
二、一步一步分析 ArrayList 擴(kuò)容機(jī)制
這里以無參構(gòu)造函數(shù)創(chuàng)建的 ArrayList 為例分析
- 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) {
//添加元素之前，先調(diào)用ensureCapacityInternal方法
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
//這里看到ArrayList添加元素的實質(zhì)就相當(dāng)于為數(shù)組賦值
elementData[size++] = e;
return true;
}
12345678910
12345678910
注意 ：JDK11 移除了 ensureCapacityInternal() 和 ensureExplicitCapacity() 方法
- 再來看看 ensureCapacityInternal() 方法
可以看到 add 方法 首先調(diào)用了 ensureCapacityInternal(size + 1)
//得到最小擴(kuò)容量
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
// 獲取默認(rèn)的容量和傳入?yún)?shù)的較大值
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
當(dāng) 要 add 進(jìn)第1個元素時，minCapacity為1，在Math.max()方法比較后，minCapacity 為10。
- ensureExplicitCapacity() 方法
如果調(diào)用 ensureCapacityInternal() 方法就一定會進(jìn)過（執(zhí)行）這個方法，下面我們來研究一下這個方法的源碼！//判斷是否需要擴(kuò)容
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
modCount++;
// overflow-conscious code
if (minCapacity - elementData.length > 0)
//調(diào)用grow方法進(jìn)行擴(kuò)容，調(diào)用此方法代表已經(jīng)開始擴(kuò)容了
grow(minCapacity);
}
我們來仔細(xì)分析一下：
當(dāng)我們要 add 進(jìn)第1個元素到 ArrayList 時，elementData.length 為0 （因為還是一個空的 list），因為執(zhí)行了ensureCapacityInternal() 方法 ，所以 minCapacity 此時為10。此時， minCapacity -elementData.length > 0 成立，所以會進(jìn)入 grow(minCapacity) 方法。當(dāng)add第2個元素時，minCapacity 為2，此時e lementData.length(容量)在添加第一個元素后擴(kuò)容成 10 了。此時， minCapacity - elementData.length > 0 不成立，所以不會進(jìn)入 （執(zhí)行） grow(minCapacity) 方法。添加第3、4···到第10個元素時，依然不會執(zhí)行g(shù)row方法，數(shù)組容量都為10。直到添加第11個元素，minCapacity(為11)比elementData.length（為10）要大。進(jìn)入grow方法進(jìn)行擴(kuò)容。
- grow() 方法
/**
- 要分配的最大數(shù)組大小
/
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
/* - ArrayList擴(kuò)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(dāng)于oldCapacity /2，
//我們知道位運(yùn)算的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于整除運(yùn)算，整句運(yùn)算式的結(jié)果就是將新容量更新為舊容量的1.5倍，
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
//然后檢查新容量是否大于最小需要容量，若還是小于最小需要容量，
//那么就把最小需要容量當(dāng)作數(shù)組的新容量，
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
// 如果新容量大于 MAX_ARRAY_SIZE,進(jìn)入(執(zhí)行)hugeCapacity()方法來比較 minCapacity 和MAX_ARRAY_SIZE，
//如果minCapacity大于最大容量，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(kuò)容之后容量都會變?yōu)樵瓉淼?1.5 倍左右（oldCapacity為偶數(shù)就是1.5倍，否則是1.5倍左右）！奇偶不同，比如 ：10+10/2 = 15, 33+33/2=49。如果是奇數(shù)的話會丟掉小數(shù).“>>”（移位運(yùn)算符）：>>1 右移一位相當(dāng)于除2，右移n位相當(dāng)于除以 2 的 n 次方。這里 oldCapacity 明顯右移了1位所以相當(dāng)于oldCapacity /2。對于大數(shù)據(jù)的2進(jìn)制運(yùn)算,位移運(yùn)算符比那些普通運(yùn)算符的運(yùn)算要快很多,因為程序僅僅移動一下而已,不去計算,這樣提高了效率,節(jié)省了資源
我們再來通過例子探究一下 grow() 方法 ：
當(dāng)add第1個元素時，oldCapacity 為0，經(jīng)比較后第一個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(jìn)入 hugeCapacity 方法。數(shù)組容量為10，add方法中 return true,size增為1。
當(dāng)add第11個元素進(jìn)入grow方法時，newCapacity為15，比minCapacity（為11）大，第一個if判斷不成立。新容量沒有大于數(shù)組最大size，不會進(jìn)入hugeCapacity方法。數(shù)組容量擴(kuò)為15，add方法中return true,size增為11。
以此類推······
這里補(bǔ)充一點比較重要，但是容易被忽視掉的知識點：
java 中的 length 屬性是針對數(shù)組說的,比如說你聲明了一個數(shù)組,想知道這個數(shù)組的長度則用到了 length 這個屬性.
java 中的 length() 方法是針對字符串說的,如果想看這個字符串的長度則用到 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,就調(diào)用此方法來查看!
- hugeCapacity() 方法。
從上面 grow() 方法源碼我們知道：如果新容量大于 MAX_ARRAY_SIZE,進(jìn)入(執(zhí)行) hugeCapacity() 方法來比較minCapacity 和 MAX_ARRAY_SIZE，如果minCapacity大于最大容量，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(jìn)行比較
//若minCapacity大，將Integer.MAX_VALUE作為新數(shù)組的大小
//若MAX_ARRAY_SIZE大，將MAX_ARRAY_SIZE作為新數(shù)組的大小
//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
閱讀源碼的話，我們就會發(fā)現(xiàn) ArrayList 中大量調(diào)用了這兩個方法。比如：我們上面講的擴(kuò)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。
*先調(diào)用 rangeCheckForAdd 對index進(jìn)行界限檢查；然后調(diào)用 ensureCapacityInternal 方法保證capacity足夠大；
再將從index開始之后的所有成員后移一個位置；將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()方法實現(xiàn)數(shù)組自己復(fù)制自己
//elementData:源數(shù)組;index:源數(shù)組中的起始位置;elementData：目標(biāo)數(shù)組；index + 1：
//目標(biāo)數(shù)組中的起始位置；size - index：要復(fù)制的數(shù)組元素的數(shù)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.print(a[i] + " ");
}
}
}
結(jié)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數(shù)組（從第一個到最后一個元素）; 返回的數(shù)組的運(yùn)行時類型是指定數(shù)組的
運(yùn)行時類型。
*/
public Object[] toArray() {
//elementData：要復(fù)制的數(shù)組；size：要復(fù)制的長度
return Arrays.copyOf(elementData, size);
}
//個人覺得使用 Arrays.copyOf() 方法主要是為了給原有數(shù)組擴(kuò)容，
//測試代碼如下：
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(jié)果：
10
3.3 兩者聯(lián)系和區(qū)別
聯(lián)系：
看兩者源代碼可以發(fā)現(xiàn) copyOf() 內(nèi)部實際調(diào)用了 System.arraycopy() 方法
區(qū)別：
arraycopy() 需要目標(biāo)數(shù)組，將原數(shù)組拷貝到你自己定義的數(shù)組里或者原數(shù)組，而且可以選擇拷貝的起點和長度以及
放入新數(shù)組中的位置 copyOf() 是系統(tǒng)自動在內(nèi)部新建一個數(shù)組，并返回該數(shù)組。
四 、 ensureCapacity 方法
ArrayList 源碼中有一個 ensureCapacity 方法不知道大家注意到?jīng)]有，這個方法 ArrayList 內(nèi)部沒有被調(diào)用過，所以
很顯然是提供給用戶調(diào)用的，那么這個方法有什么作用呢？
/**
如有必要，增加此 ArrayList 實例的容量，以確保它至少可以容納由minimum capacity參數(shù)指定的元素數(shù)。
- @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，以減少增量重新分配的次數(shù)
我們通過下面的代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));
}
}
運(yùn)行結(jié)果：
使用ensureCapacity方法前：2158
1
public class EnsureCapacityTest {
public static void main(String[] args) {
ArrayList<Object> list = new ArrayList<Object>();
final int N = 10000000;
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));
}
}
運(yùn)行結(jié)果：
使用ensureCapacity方法前：1773
通過運(yùn)行結(jié)果，我們可以看出向 ArrayList 添加大量元素之前最好先使用 ensureCapacity 方法，以減少增量重新分配的次數(shù)。
