从源码层面理解 ArrayList 扩容策略

ArrayList 在我们日常开发中用到的非常多，我们知道 ArrayList 内部是通过 Object 数组实现的，而数组的长度一经定义，就无法更改了。

那么问题就来了，ArrayList 是如何实现扩容的呢？

我们先来看看 ArrayList 类中有哪些成员变量。

ArrayList 的成员变量

/**
 * Default initial capacity.
 * 默认的初始容量10。
 */
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

/**
 * Shared empty array instance used for empty instances.
 * 共享的空数组实例，用于空实例。
 */
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

/**
 * Shared empty array instance used for default sized empty instances. We
 * distinguish this from EMPTY_ELEMENTDATA to know how much to inflate when
 * first element is added.
 *
 * 共享的空数组实例，用于默认大小的空实例。
 * 我们区分 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 和 EMPTY_ELEMENTDATA 
 * 为了知道添加第一个元素时要扩容多少。
 */
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

/**
 * The array buffer into which the elements of the ArrayList are stored.
 * The capacity of the ArrayList is the length of this array buffer. Any
 * empty ArrayList with elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
 * will be expanded to DEFAULT_CAPACITY when the first element is added.
 *
 * Object[] 用于实际存储 ArrayList 的元素。ArrayList 的容量是数组的长度。
 * 当添加第一个元素的时候，任何空的ArrayList（elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA）
 * 容量将被增加到DEFAULT_CAPACITY。
 */
transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access

/**
 * The size of the ArrayList (the number of elements it contains).
 * ArrayList 的大小（ArrayList 中包含的元素个数）
 * @serial
 */
private int size;

问题一：ArrayList 中的size 和 capacity 怎么理解？

size 用于记录 ArrayList 实例中 elementData 数组中元素的个数，capacity 是elementData 数组的长度（包括已使用的数组空间和未使用的数组空间）。如果被 ArrayList 看作一个喝水的杯子的话，capacity 就是杯子的容积，也就是代表了杯子能装多少水，size 就是杯子已经装的水的体积。杯子可能装满了水也可能没装满。

要想使用一个类，首先要创建这个类的实例，那么接下来我们看看 ArrayList 有哪些构造方法，这是我们比较关心的。

ArrayList 的构造方法

1、 无参构造方法

注释上说，构造一个初始容量为10的空列表。实际上，Java8 中使用了延迟初始化，使用无参构造方法，并不会马上创建长度为 10 的数组，而是在调用 add 方法添加第一个元素的时候才对 elementData 数组进行初始化（后面会看到）。

/**
 * Constructs an empty list with an initial capacity of ten.
 */
public ArrayList() {
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

2、指定初始容量的构造方法

传入初始容量 initialCapacity，如果初始容量大于 0，那么直接创建一个指定大小的 Object 数组；如果初始容量等于0，elementData 指向共享的空数组实例 EMPTY_ELEMENTDATA。如果初始容量小于0，抛出 IllegalArgumentException 异常。

/**
 * Constructs an empty list with the specified initial capacity.
 *
 * @param  initialCapacity  the initial capacity of the list
 * @throws IllegalArgumentException if the specified initial capacity
 *         is negative
 */
public ArrayList(int initialCapacity) {
    if (initialCapacity > 0) {
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
    } else if (initialCapacity == 0) {
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    } else {
        throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                           initialCapacity);
    }
}

3、指定初始集合的构造方法

/**
 * Constructs a list containing the elements of the specified
 * collection, in the order they are returned by the collection's
 * iterator.
 *
 * @param c the collection whose elements are to be placed into this list
 * @throws NullPointerException if the specified collection is null
 */
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;
    }
}

问题二：ArrayList 源码中为何定义两个 Object 数组呢？EMPTY_ELEMENTDATA 和 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 各有什么用处？

从以上源码中可以看出，这两个常量都是空 Object 数组的引用，都表示 ArrayList 实例的空状态，即 elementData 数组中没有元素。EMPTY_ELEMENTDATA 是使用指定初始容量的构造方法 ArrayList(int initialCapacity)（初始容量大小为0） 和 指定初始集合的构造方法 ArrayList(Collection<? extends E> c)（初始集合大小为0） 时使用。DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 是使用无参构造方法时使用的。

构造方法也有了，接下来我们看看如何向 ArrayList 容器中添加一个元素。

添加元素

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

add 方法向 ArrayList 中添加1个元素，为了确保 ArrayList 内部数组容量，add 方法内部首先调用 ensureCapacityInternal 方法，入参 minCapacity 为 ArrayList 包含的实际元素个数 size + 1。

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

ensureCapacityInternal 内部调用 calculateCapacity 方法来计算容量，如果 ArrayList 是通过无参构造方法进行创建的，那么满足下面 if 条件（elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA），如果是添加第一个元素，则minCapacity 为 1，则数组扩容到 DEFAULT_CAPACITY 大小为10，这也对应了无参构造方法的注释 Constructs an empty list with an initial capacity of ten 。

private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        // 如果是空ArrayList，则容量为 DEFAULT_CAPACITY 和 minCapacity 的最大值
        return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    return minCapacity;
}

笔者当时读到 Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity); 这行代码的时候有点小小的困惑，既然elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 说明当前的 ArrayList 是空的，那么直接返回DEFAULT_CAPACITY 值不就行了么，为啥还要比较呢。直到后来发现了 addAll(Collection<? extends E> c) 这个方法，addAll 方法可以一次向 ArrayList 中添加多个元素，新增加的元素个数可能大于 DEFAULT_CAPACITY ，为了减少扩容次数，应该取 DEFAULT_CAPACITY 和 minCapacity 的最大值。

minCapacity 等于 ArrayList 当前实际元素个数size + 新增的元素个数，minCapacity是扩容后 Object 数组的最小长度。

ensureExplicitCapacity 方法确保 ArrayList 有足够的容量存放新的元素。

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;

    // overflow-conscious code
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);
}

容量不够的话，会调用 grow 方法 进行扩容操作。

扩容操作

/**
 * The maximum size of array to allocate.
 * Some VMs reserve some header words in an array.
 * Attempts to allocate larger arrays may result in
 * OutOfMemoryError: Requested array size exceeds VM limit
 */
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

/**
 * Increases the capacity to ensure that it can hold at least the
 * number of elements specified by the minimum capacity argument.
 *
 * @param minCapacity the desired minimum capacity
 */
private void grow(int minCapacity) {
    // overflow-conscious code
    int oldCapacity = elementData.length;
    // 新容量扩大到原容量的1.5倍
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        // 如果新容量还是比所需的最小容量小，则让新容量等于所需的最小容量
        newCapacity = minCapacity;
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        // 如果新容量超过了Integer.MAX_VALUE - 8，继续计算
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
    // 所需的最小容量minCapacity 接近size
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

扩容计算，int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); oldCapacity 是ArrayList 内部数组长度，oldCapacity >> 1 是位运算的右移操作，右移一位相当于除以2，新的容量 newCapacity 为之前容量的1.5倍。

elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); 对 elementData 数组进行扩容。

private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
    if (minCapacity < 0) // overflow
        throw new OutOfMemoryError();
    return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
        Integer.MAX_VALUE :
    MAX_ARRAY_SIZE;
}

问题三：ArrayList 扩容每次都是原容量的1.5倍吗？

从源码中可以看出，当使用无参构造方法创建一个 ArrayList 实例，调用 add 方法添加第一个元素的时候，calculateCapacity 方法返回的是默认初始容量 DEFAULT_CAPACITY 大小为10；当使用指定初始容量创建ArrayList 实例，调用 addAll 方法添加多个元素的时候，原容量的1.5倍也无法存放元素的时候，会创建一个更大（不会超过 Integer.MAX_VALUE）的数组来存放元素。

问题四：ArrayList 的 add 操作如何优化？

扩容需要移动数据，非常影响性能。那么优化的重点就是尽量避免 ArrayList 内部进行内部扩容。对于add 操作，如果添加的元素个数已知，最好使用指定初始容量的构造方法创建 ArrayList 实例或者在添加元素之前执行ensureCapacity 方法确保有足够的容量来存放add 操作的元素。

巨人的肩膀

https://github.com/weizhiwen/knowledge-base/blob/master/Java/Java%E9%9B%86%E5%90%88%E7%9F%A5%E8%AF%86/ArrayList%E7%90%86%E8%A7%A3.md

https://*.com/questions/53763304/arraylist-public-constructor-constructs-an-empty-list-with-an-initial-capacit

https://*.com/questions/34250207/in-java-8-why-is-the-default-capacity-of-arraylist-now-zero

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