分析ArrayList扩容机制

转载自：白春雨（https://www.cnblogs.com/baichunyu/p/12965241.html）

一、先从 ArrayList 的构造函数说起

ArrayList有三种方式来初始化，这里讲最常用的无参数方法：

	/**
     * 默认初始容量大小
     */
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;


    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
	
	transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access

    /**
     *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;
    }

构造方法将elementData指向内部空的数组DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA，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。

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

	/**
     * 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)

	//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);
    }

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！

 	protected transient int modCount = 0;
	//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

/**
     * 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.

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：

1.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.
2.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.
3.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

最后讲一下当扩容后数组大小大于MAX_ARRAY_SIZE时候执行的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;
}

这个方法是指当扩容后的size大于规定的MAX_ARRAY_SIZE那么这个时候有两种可能

1. 当前ArrayList存入的size小于MAX_ARRAY_SIZE即调用add插入后数组容量不大于MAX_ARRAY_SIZE，即minCapacity小于等于MAX_ARRAY_SIZE那么这个时候，进入hugeCapacity方法最后返回的是MAX_ARRAY_SIZE;
2. 上面的容量已经扩容到最大了，那么这个时候如果在插入会发生什么？这个时候minCapacity等于MAX_ARRAY_SIZE+1，最后返回的是Integer.MAX_VALUE；

所以最大是只能到Integer.MAX_VALUE；

另：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);
        }
    }

目的就是减少扩容次数，当我们知道具体的容量大小的时候，直接使用有参构造方法，而不是使用默认的构造方法，默认的10容量会使得程序频繁扩容，极大拉低程序效率，同理Hashmap在知道具体容量的时候也应该避免。