ArrayList源码分析(一)

当你停下来休息的时候,不要忘记,别人还在奔跑~

先抛出个问题：大家都知道ArrayList底层是由数组实现的，java中标准数组是定长的，在数组被创建之后，它们不能被加长或缩短。这就意味着在创建数组时需要知道数组的所需长度，为什么ArrayList可以动态扩容？

1. ArrayList 的构造函数

/**
     * 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，构造一个空数组(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;
        }
    }

2.ArrayList 扩容机制

List扩容实现步骤，总的来说就是分两步：

• 扩容
  把原来的数组复制到另一个内存空间更大的数组中
• 添加元素
  把新元素添加到扩容以后的数组中

2.1 假设使用默认无参构造函数，即初始数组元素个数为0（size=0）

/**
     *默认构造函数
     */
    public ArrayList() {
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }

2.2add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;
    }

可以看到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。

2.3 可以看到 add 方法 首先调用了ensureCapacityInternal(size + 1)

     private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
      }

    //得到最小扩容量
    private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
            // 获取默认的容量和传入参数的较大值           
           return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }
        return 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。

2.4 ensureExplicitCapacity()方法

// 确保是否需要扩容
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
      // 记录被修改的次数  
      modCount++;

        // 最小扩容单位长度大于数组长度，表示需要扩容
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
    }

2.5 grow() 方法 （核心）

    /**
     * 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，
        //结果就是将新容量更新为旧容量的1.5倍，
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        //若新容量还是小于最小需要容量，那么就把最小需要容量（10）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);
        // 将原数组copy到新数组中
        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

2.6 .hugeCapacity() 方法

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;
    }

总结

• 当我们要 add 进第1个元素到 ArrayList 时，elementData.length 为0 （因为还是一个空的数组），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。
• 把新元素添加到扩容以后的数组中。

ArrayList源码分析(二)

LinkedList源码分析