ArrayList自动扩容解析

探索ArrayList自动改变size真相

ArrayList的列表对象实质上是存储在一个引用型数组里的，有人认为该数组有“自动增长机制”可以自动改变size大小。正式地说，该数组是无法改变

大小的，实际上它只是改变了该引用型数组的指向而已。下面，让我们来看看java是怎样实现ArrayList类的。

一、ArrayList类的实质

     ArrayList底层采用Object类型的数组实现，当使用不带参数的构造方法生成ArrayList对象时，

实际上会在底层生成一个长度为10的Object类型数组。

    首先，ArrayList定义了一个私有的未被序列化的数组elementData，用来存储ArrayList的对象列表（注意只定义未初始）：

　　private transient Object[] elementData;

    

    其次，以指定初始容量（Capacity）或把指定的Collection转换为引用型数组后实例化elementData数组；如果没有指定，则预置初始容量为10进行

实例化。把私有数组预先实例化，然后通过copyOf方法覆盖原数组，是实现自动改变ArrayList的大小(size)的关键。有人说ArrayList是复杂的数组，我

认为不如说ArrayList是关于数组的系统的方法组合。

　　ArrayList的构造方法源码如下：

    // 用指定的初始容量构造一个空列表。

    public ArrayList(int initialCapacity) {

        super();

        if (initialCapacity < 0)

            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+initialCapacity);

        this.elementData = new Object[initialCapacity];//属性指向新建长度为初始容量的临时数组

    }

    // 使用初始容量10构造一个空列表

    public ArrayList() {

        this(10);

    }

    / *构造包含利用collection的迭代器按顺序返回的指定collection元素的列表

     * @param c 集合，它的元素被用来放入列表t

     * @throws NullPointerException 如果指定集合为 null

     */

    public ArrayList(Collection<? extends E> c) {

        elementData = c.toArray();//用Collection初始化数组elementData

        size = elementData.length;

        if (elementData.getClass() != Object[].class)

            elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);

    }

二、ArrayList实现自动改变size机制

   为了实现这一机制，java引进了Capacity和size概念，以区别数组的length。为了保证用户增加新的列表对象，java设置了最小容量（minCapacity）

，通常情况上，它大于列表对象的数目，所以Capactiy虽然就是底层数组的长度（length），但是对于最终用户来讲，它是无意义的。而size存储着列表

对象的数量，才是最终用户所需要的。为了防止用户错误修改，这一属性被设置为privae的，不过可以通过size()获取。

   下面，对ArrayList的初始以及其列表对象的增加和删除等三种情况下的size自动改变机制进行分析。

   1、初始Capacity和size值。

   从上面给出的ArrayList构造方法源码中，我们不难看出Capacity初始值（initialCapacity）可以由用户直接指定或由用户指定的Collection集合存

储的对象数目确定，如果没有指定，系统默认为10。而size的被声明为int型变量，默认为0，当用户指定Collection创建ArrayList时，size值等于

initialCapacity。

 

   2、add()方法

    该方法的源码如下：

    public boolean add(E e) {

        ensureCapacityInternal(size + 1);

        elementData[size++] = e;//添加对象时，自增size

        return true;

    }

    方法中调用的ensureCapacityInternal主要用来调整容量，修改elementData数组的指向。其中涉及到3个方法的调用，其核心在于grow方法：

    

    private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {

        modCount++;//定义于ArrayList的父类AbstractList，用于存储结构修改次数

        // overflow-conscious code

        if (minCapacity - elementData.length > 0)

            grow(minCapacity);

    }  

    private void grow(int minCapacity) {

        // overflow-conscious code

        int oldCapacity = elementData.length;

        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);//新容量扩大到原容量的1.5倍，右移一位相关于原数值除以2。

        if (newCapacity - minCapacity < 0)

            newCapacity = minCapacity;

        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);

    }

    private static int hugeCapacity(int minCapacity) {

        if (minCapacity < 0) // overflow

            throw new OutOfMemoryError();

        return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?

            Integer.MAX_VALUE :

            MAX_ARRAY_SIZE;//MAX_ARRAY_SIZE和Integer.MAX_VALUE为常量，详细请参阅下面的注解

    }

   

   通过以上代码，我们可知java自动增加ArrayList大小的思路是：向ArrayList添加对象时，原对象数目加1如果大于原底层数组长度，则以适当长度新

建一个原数组的拷贝，并修改原数组，指向这个新建数组。原数组自动抛弃（java垃圾回收机制会自动回收）。size则在向数组添加对象，自增1。

 

   注解：

    //定义于该类的常量，用来分配数组的size最大值。一些 VMs在数组里保留字头，试图分配更大数组时可能导致OutOfMemoryError:被请求数组的

size超出VM界限。

    private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

   //在java.lang.Integer类中常量MIN_VALUE、MAX_VALUE如下：

   public static final int   MIN_VALUE = 0x80000000;//整型取值区间下界：－2147483648

   public static final int   MAX_VALUE = 0x7fffffff;//整型取值区间上界：2147483647

　　//在java.util.AbstractList中modCount定义如下：

　　protected transient int modCount = 0;

    3、remove()方法

    该重构方法其一源码如下（其它的就不累述了）：

    public E remove(int index) {

        rangeCheck(index);

        modCount++;

        E oldValue = elementData(index);

        int numMoved = size - index - 1;

        if (numMoved > 0)

            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,

                             numMoved);//将后面的列表对象前移

        elementData[--size] = null; // 数组前移一位，size自减，空出来的位置置null，具体的对象的销毁由Junk收集器负责

        return oldValue;

    }

    private void rangeCheck(int index) {//边界检查

        if (index < 0 || index >= this.size)

           throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));

    }

    E elementData(int index) {//获取指定index所在位置的对象

        return (E) elementData[index];

    }

 

    通过remove()源码的学习，我们不难看出，其改变ArrayList大小的核心与add()方法相似，都是同数组拷贝。

    另外，如果确有必要，用户也可以指定ArrayList实例的容量，可以有效的降低时间成本。它是通过调用ensureCapacityInternal来实现的，源代码

如下：

    public void ensureCapacity(int minCapacity) {

        if (minCapacity > 0)

            ensureCapacityInternal(minCapacity);

    }

    因为size为private的，java给出方法来访问它：

    public int size() {

         checkForComodification();

         return this.size;

    }

 

    综上所述，在用户向ArrayList追加对象时，Java总是要先计算容量（Capacity）是否适当，若容量不足则把原数组拷贝到以指定容量为长度创建的

新数组内，并对原数组变量重新赋值，指向新数组。在这同时，size进行自增1。在删除对象时，先使用拷贝方法把指定index后面的对象前移1位（如果

有的话），然后把空出来的位置置null，交给Junk收集器销毁，size自减1，即完成了










都知道ArrayList是基于数组的，那它是怎么实现可变的呢？

创建ArrayList对象时，ArrayList有个带参数的构造函数，那个参数的意思就代表着ArrayList长度，默认情况是10。当数据多了，ArrayList容不下时，这时ArrayList会增加长度，newLength = oldLength + oldLength/2；如果初始值是10，那么依次是15，22,33,49,73......，长度是增加了，那是怎样实现的呢？当数据容不下时，ArrayList会再创建一个更大的数组，数组长度为之前所说的那样，然后将之前的数据拷贝到新数组中。这就是ArrayList基于数组实现的可变长度原理。

下面详细解释下：

1、代码如下

ArrayList初始化时没有设置容量大小，随后给他添加10个字符串，size变为10；当10个字符串添加完之后，继续添加，这时ArrayList容量增加到15，size变为11。如果当ArrayList容量又满了时，这时ArrayList容量增加到22，以此类推(10,15,22,33,49......),newCapacity = oldCapacity+(oldCapacity/2),截图如下：

2、如果ArrayList初始化时不给其设置容量大小，当调用add方法时，会给其默认分配10容量值。

3、ArrayList中add方法

[java] view plain copy

1. /** 
2.     * Appends the specified element to the end of this list. 
3.     * 
4.     * @param e element to be appended to this list 
5.     * @return <tt>true</tt> (as specified by {@link Collection#add}) 
6.     */  
7.    public boolean add(E e) {  
8.        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!  
9.        elementData[size++] = e;  
10.        return true;  
11.    }  

添加操作，首先会调用ensureCapacityInternal(size + 1)，其作用为保证数组的容量始终够用，其中size是elementData数组中元组的个数，初始为0。

ArrayList中ensureCapacityInternal方法

[java] view plain copy

1. private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {  
2.        if (elementData == EMPTY_ELEMENTDATA) {  
3.            minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);  
4.        }  
5.   
6.        ensureExplicitCapacity(minCapacity);  
7.    }  
8.   
9.    private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {  
10.        modCount++;  
11.   
12.        // overflow-conscious code  
13.        if (minCapacity - elementData.length > 0)  
14.            grow(minCapacity);  
15.    }  

在ensureCapacityInternal()函数中，用if判断，如果数组没有元素，给数组一个默认大小，会选择实例化时的值与默认大小中较大值，然后调用ensureExplicitCapacity()。

ArrayList中grow方法

[java] view plain copy

1. /** 
2.    * Increases the capacity to ensure that it can hold at least the 
3.    * number of elements specified by the minimum capacity argument. 
4.    * 
5.    * @param minCapacity the desired minimum capacity 
6.    */  
7.   private void grow(int minCapacity) {  
8.       // overflow-conscious code  
9.       int oldCapacity = elementData.length;  
10.       int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);  
11.       if (newCapacity - minCapacity < 0)  
12.           newCapacity = minCapacity;  
13.       if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)  
14.           newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);  
15.       // minCapacity is usually close to size, so this is a win:  
16.       elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);  
17.   }  

函数体中，modCount是数组发生size更改的次数。然后if判断，如果数组长度小于默认的容量10，则调用扩大数组大小的方法grow()。

[java] view plain copy

1. >>表示带符号右移，如：int i=15; i>>2的结果是3，移出的部分将被抛弃。  
2. 转为二进制的形式可能更好理解，0000 1111(15)右移2位的结果是0000 0011(3)，0001 1010(18)右移3位的结果是0000 0011(3)。  

10>>1 为5 

15>>1 为7




22>>1 为11 

4、从内部实现机制来讲ArrayList是使用数组(Array)来控制集合中的对象。当你增加元素的时候，如果元素的数目超出了内部数组目前的长度，它需要扩展内部数组的长度，ArrayList是原来的50%,即newCapacity = oldCapacity+(oldCapacity/2)