ArrayList 底层源码扩容机制分析

1. ArrayList 简介

ArrayList 的底层是数组队列，相当于动态数组。与 Java 中的数组相比，它的容量能动态增长。在添加大量元素前，应用程序可以使用ensureCapacity操作来增加 ArrayList 实例的容量。这可以减少递增式再分配的数量。

ArrayList继承于 AbstractList ，实现了 List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable 这些接口。

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable{
    
    

  }

RandomAccess 是一个标志接口，表明实现这个这个接口的 List 集合是支持快速随机访问的。在 ArrayList 中，我们即可以通过元素的序号快速获取元素对象，这就是快速随机访问。
ArrayList 实现了 Cloneable 接口 ，即覆盖了函数clone()，能被克隆。
ArrayList 实现了 java.io.Serializable 接口，这意味着ArrayList支持序列化，能通过序列化去传输。

1.1. Arraylist 和 Vector 的区别?

ArrayList 是 List 的主要实现类，底层使用 Object[ ]存储，适用于频繁的查找工作，线程不安全 ；
Vector 是 List 的古老实现类，底层使用 Object[ ]存储，线程安全的。

1.2. Arraylist 与 LinkedList 区别?

是否保证线程安全： ArrayList 和 LinkedList 都是不同步的，也就是不保证线程安全；
底层数据结构： Arraylist 底层使用的是 Object 数组；LinkedList 底层使用的是 双向链表 数据结构（JDK1.6 之前为循环链表，JDK1.7 取消了循环。注意双向链表和双向循环链表的区别，下面有介绍到！）
插入和删除是否受元素位置的影响： ① ArrayList 采用数组存储，所以插入和删除元素的时间复杂度受元素位置的影响。 比如：执行add(E e)方法的时候， ArrayList 会默认在将指定的元素追加到此列表的末尾，这种情况时间复杂度就是 O(1)。但是如果要在指定位置 i 插入和删除元素的话（add(int index, E element)）时间复杂度就为 O(n-i)。因为在进行上述操作的时候集合中第 i 和第 i 个元素之后的(n-i)个元素都要执行向后位/向前移一位的操作。 ② LinkedList 采用链表存储，所以对于add(E e)方法的插入，删除元素时间复杂度不受元素位置的影响，近似 O(1)，如果是要在指定位置i插入和删除元素的话（(add(int index, E element)） 时间复杂度近似为o(n))因为需要先移动到指定位置再插入。
是否支持快速随机访问： LinkedList 不支持高效的随机元素访问，而 ArrayList 支持。快速随机访问就是通过元素的序号快速获取元素对象(对应于get(int index)方法)。
内存空间占用： ArrayList 的空 间浪费主要体现在在 list 列表的结尾会预留一定的容量空间，而 LinkedList 的空间花费则体现在它的每一个元素都需要消耗比 ArrayList 更多的空间（因为要存放直接后继和直接前驱以及数据）。

2. ArrayList 扩容机制分析

2.1. 先从 ArrayList 的构造函数说起

（JDK8）ArrayList 有三种方式来初始化，构造方法源码如下：

/**
     * 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 扩容时会讲到这一点内容！

补充：JDK7 new无参构造的ArrayList对象时，直接创建了长度是10的Object[]数组elementData 。jdk7中的ArrayList的对象的创建类似于单例的饿汉式，而jdk8中的ArrayList的对象的创建类似于单例的懒汉式。JDK8的内存优化也值得我们在平时开发中学习。

2.2. 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

2.2.1. 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!!
        //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;
    }
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注意 ：JDK11 移除了 ensureCapacityInternal() 和 ensureExplicitCapacity() 方法

3.2.2. 再来看看 ensureCapacityInternal() 方法
（JDK7）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
            minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }

        ensureExplicitCapacity(minCapacity);
    }
Copy to clipboardErrorCopied
当 要 add 进第 1 个元素时，minCapacity 为 1，在 Math.max()方法比较后，minCapacity 为 10。

此处和后续 JDK8 代码格式化略有不同，核心代码基本一样。

3.2.3. ensureExplicitCapacity() 方法
如果调用 ensureCapacityInternal() 方法就一定会进入（执行）这个方法，下面我们来研究一下这个方法的源码！

  //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：

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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。

2.2.4. grow() 方法

   /**
     * 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 倍左右（oldCapacity 为偶数就是 1.5 倍，否则是 1.5 倍左右）！ 奇偶不同，比如 ：10+10/2 = 15, 33+33/2=49。如果是奇数的话会丢掉小数.

“>>”（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!

2.2.5. 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。

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;
    }

2.3. 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！

2.3.1. System.arraycopy() 方法

 /**
     * 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：

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] + " ");
        }
    }

}

结果：

0 1 99 2 3 0 0 0 0 0

2.3.2. Arrays.copyOf()方法

/**
     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：

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

2.3.3. 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。

2.4. 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？

  /**
    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，以减少增量重新分配的次数

我们通过下面的代码实际测试以下这个方法的效果：

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));

    }
}

运行结果：

使用ensureCapacity方法前：2158

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));
    }
}

运行结果：

使用ensureCapacity方法前：1773

通过运行结果，我们可以看出向 ArrayList 添加大量元素之前最好先使用ensureCapacity 方法，以减少增量重新分配的次数。