增加 ArrayList 扩容机制分析内容

Snailclimb · Snailclimb · commit ba35260651ef · 2018-09-18T16:38:17.000+08:00
diff --git a/Java相关/ArrayList-Grow.md b/Java相关/ArrayList-Grow.md
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+
+## 一 先从 ArrayList 的构造函数说起
+
+**ArrayList有三种方式来初始化，构造方法源码如下：**
+
+```java
+   /**
+     * 默认初始容量大小
+     */
+    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
+    
+
+    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
+
+    /**
+     *默认构造函数，使用初始容量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) {//初始容量大于0
+            //创建initialCapacity大小的数组
+            this.elementData = new Object[initialCapacity];
+        } else if (initialCapacity == 0) {//初始容量等于0
+            //创建空数组
+            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
+        } else {//初始容量小于0，抛出异常
+            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顺序返回
+    *如果指定的集合为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;
+        }
+    }
+
+```
+
+细心的同学一定会发现 ：**以无参数构造方法创建 ArrayList 时，实际上初始化赋值的是一个空数组。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。** 下面在我们分析 ArrayList 扩容时会降到这一点内容！
+
+## 二 一步一步分析 ArrayList 扩容机制
+
+这里以无参构造函数创建的 ArrayList 为例分析
+
+### 1. 先来看 `add` 方法
+
+```java
+    /**
+     * 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!!
+        //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;
+    }
+```
+### 2. 再来看看 `ensureCapacityInternal()` 方法
+
+可以看到 `add` 方法 首先调用了`ensureCapacityInternal(size + 1)`
+
+```java
+   //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
+            minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
+        }
+
+        ensureExplicitCapacity(minCapacity);
+    }
+```
+**当 要 add 进第1个元素时，minCapacity为1，在Math.max()方法比较后，minCapacity 为10。**
+
+### 3. `ensureExplicitCapacity()` 方法 
+
+如果调用 `ensureCapacityInternal()` 方法就一定会进过（执行）这个方法，下面我们来研究一下这个方法的源码！
+
+```java
+  //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1个元素到 ArrayList 时，elementData.length 为0 （因为还是一个空的 list），因为执行了 `ensureCapacityInternal()` 方法 ，所以 minCapacity 此时为10。此时，`minCapacity - elementData.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e lementData.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。
+
+直到添加第11个元素，minCapacity(为11)比elementData.length（为10）要大。进入grow方法进行扩容。
+
+### 4. `grow()` 方法 
+
+```java
+    /**
+     * 要分配的最大数组大小
+     */
+    private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
+
+    /**
+     * ArrayList扩容的核心方法。
+     */
+    private void grow(int minCapacity) {
+        // oldCapacity为旧容量，newCapacity为新容量
+        int oldCapacity = elementData.length;
+        //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，那么就把最小需要容量当作数组的新容量，
+        if (newCapacity - minCapacity < 0)
+            newCapacity = minCapacity;
+       // 如果新容量大于 MAX_ARRAY_SIZE,进入(执行) `hugeCapacity()` 方法来比较 minCapacity 和 MAX_ARRAY_SIZE，
+       //如果minCapacity大于最大容量，则新容量则为`Integer.MAX_VALUE`，否则，新容量大小则为 MAX_ARRAY_SIZE 即为 `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 每次扩容之后容量都会变为原来的 1.5 倍！**  记清楚了！不是网上很多人说的 1.5 倍+1！
+
+>   ">>"（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 　
+
+**我们再来通过例子探究一下`grow()` 方法 ：**
+
+- 当add第1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return 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个元素,就调用此方法来查看!
+
+### 5. `hugeCapacity()` 方法。
+
+从上面 `grow()` 方法源码我们知道： 如果新容量大于 MAX_ARRAY_SIZE,进入(执行) `hugeCapacity()` 方法来比较 minCapacity 和 MAX_ARRAY_SIZE，如果minCapacity大于最大容量，则新容量则为`Integer.MAX_VALUE`，否则，新容量大小则为 MAX_ARRAY_SIZE 即为 `Integer.MAX_VALUE - 8`。 
+
+
+```java
+    private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
+        if (minCapacity < 0) // overflow
+            throw new OutOfMemoryError();
+        //对minCapacity和MAX_ARRAY_SIZE进行比较
+        //若minCapacity大，将Integer.MAX_VALUE作为新数组的大小
+        //若MAX_ARRAY_SIZE大，将MAX_ARRAY_SIZE作为新数组的大小
+        //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
+
+
+阅读源码的话，我们就会发现 ArrayList 中大量调用了这两个方法。比如：我们上面讲的扩容操作以及`add(int index, E element)`、`toArray()` 等方法中都用到了该方法！
+
+
+### 3.1 `System.arraycopy()` 方法
+
+```java
+    /**
+     * 在此列表中的指定位置插入指定的元素。 
+     *先调用 rangeCheckForAdd 对index进行界限检查；然后调用 ensureCapacityInternal 方法保证capacity足够大；
+     *再将从index开始之后的所有成员后移一个位置；将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()方法实现数组自己复制自己
+        //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++;
+    }
+```
+
+我们写一个简单的方法测试以下：
+
+```java
+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]);
+		}
+	}
+
+}
+```
+
+结果：
+
+```
+0 1 99 2 3 0 0 0 0 0 
+```
+
+### 3.2 `Arrays.copyOf()`方法
+
+```java
+   /**
+     以正确的顺序返回一个包含此列表中所有元素的数组（从第一个到最后一个元素）; 返回的数组的运行时类型是指定数组的运行时类型。 
+     */
+    public Object[] toArray() {
+    //elementData：要复制的数组；size：要复制的长度
+        return Arrays.copyOf(elementData, size);
+    }
+```
+
+个人觉得使用 `Arrays.copyOf()`方法主要是为了给原有数组扩容，测试代码如下：
+
+```java
+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);
+	}
+}
+```
+
+结果：
+
+```
+10
+```
+
+
+### 3.3 两者联系和区别
+
+**联系：** 
+
+看两者源代码可以发现 copyOf() 内部实际调用了 `System.arraycopy()` 方法 
+
+**区别：**
+
+`arraycopy()` 需要目标数组，将原数组拷贝到你自己定义的数组里或者原数组，而且可以选择拷贝的起点和长度以及放入新数组中的位置 `copyOf()` 是系统自动在内部新建一个数组，并返回该数组。
+
+
+
+## 四 `ensureCapacity`方法
+
+ArrayList 源码中有一个 `ensureCapacity` 方法不知道大家注意到没有，这个方法 ArrayList 内部没有被调用过，所以很显然是提供给用户调用的，那么这个方法有什么作用呢？
+
+```java
+    /**
+    如有必要，增加此 ArrayList 实例的容量，以确保它至少可以容纳由minimum capacity参数指定的元素数。
+     *
+     * @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，以减少增量从新分配的次数**
+
+我们通过下面的代码实际测试以下这个方法的效果：
+
+```java
+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方法后："+(endTime1 - startTime1));
+	}
+}
+```
+
+运行结果：
+
+```
+使用ensureCapacity方法前：4637
+使用ensureCapacity方法前：241
+
+```
+
+通过运行结果，我们可以很明显的看出向 ArrayList 添加大量元素之前最好先使用`ensureCapacity` 方法，以减少增量从新分配的次数
