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ArrayList的动态扩容与性能优化

程序员文章站 2024-02-11 20:48:04
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本文转自:https://blog.csdn.net/zymx14/article/details/78324464

容量拓展,是创建一个新的数组,然后将旧数组上的数组copy到新数组,这是一个很大的消耗,所以在我们使用ArrayList时,最好能预计数据的大小,在第一次创建时就申请够内存。


环境:eclipse,jdk1.8
简介
ArrayList实现了List接口,继承了AbstractList,底层是数组实现的,一般我们把它认为是可以自增扩容的数组。它是非线程安全的,一般多用于单线程环境下(与Vector最大的区别就是,Vector是线程安全的,所以ArrayList 性能相对Vector 会好些),它实现了Serializable接口,因此它支持序列化,能够通过序列化传输(实际上java类库中的大部分类都是实现了这个接口的),实现了RandomAccess接口,支持快速随机访问(只是个标注接口,并没有实际的方法),这里主要表现为可以通过下标直接访问(底层是数组实现的,所以直接用数组下标来索引),实现了Cloneable接口,能被克隆。
ArrayList:
ArrayList的动态扩容与性能优化
RandomAccess:
ArrayList的动态扩容与性能优化
初始化
ArrayList一共提供了三个初始化的方法:
  1. public ArrayList()
  2. public ArrayList(Collection<? extends E> c)
  3. public ArrayList(int initialCapacity)

首先看看源码里无参构造方法的实现:
ArrayList的动态扩容与性能优化
上面的注释表示他会默认提供容量为10的数组,但是实际并不是在这一步实现。可以看看这里的DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA和elementData:
ArrayList的动态扩容与性能优化
ArrayList的动态扩容与性能优化
只是一个空数组。所以这一步实际上只是将elementData指向一个空数组而已。
再来看看带参数的构造方法
ArrayList的动态扩容与性能优化
这个方法是直接将一个集合作为ArrayList的元素,很容易看懂,不多做解释,此时elementData即为集合c转为的数组,size即为elementData的长度。这里size是ArrayList的一个int型私有变量,用于记录该list集合中当前元素的数量,注意不是容量。
再来看看带初始化容量的构造方法:
ArrayList的动态扩容与性能优化
从源码里可以看出:首先对传进来的初始化参数initialCapacity进行判断,如果该参数大于0,在elementData进行初始化,初始化为一个容量为initialCapacity的数组,如果传进来的参数initialCapacity等于0,则将elementData指向了EMPTY_ELEMENTDATA,从这个名字也可以猜出,是个空数组:
ArrayList的动态扩容与性能优化
add方法的实现
说了这么多,还没有说到无参构造函数默认是空数组,为什么注释说是容量为10的数组,也还没说到当容量不足时,是如何实现动态扩容的,下面就通过add方法来说明这些问题。(add方法是list接口中声明的通用方法)。ArrayList的add方法实现如下:
ArrayList的动态扩容与性能优化
size是当前集合拥有的元素个数(未算进准备新增的e元素),从源码看出,调用了ensureCapacityInternal来保证容量问题,传进去的参数是size+1,来保证新增元素后容量满足要求。
接下来进入ensureCapacityInternal方法查看其实现:
ArrayList的动态扩容与性能优化
可以看到代码段:
  1. if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
  2. minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
  3. }
通过这一步来判断,当前elementData是否为空数组(即初始化容量为0或者调用了无参构造函数后的结果),如果是,则使用
Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity)进行选择一个较大的,其中,DEFAULT_CAPACITY是ArrayList定义的静态常量10:
ArrayList的动态扩容与性能优化
可以看出,这里如果minCapacity小于10的话(如果elementData为空的话,size+1即minCapacity一般为1),返回的是10,所以如果没有指定大小的话,默认是初始化一个容量为10的数组。然后在调用ensureExplicitCapacity方法:
ArrayList的动态扩容与性能优化
可以看到modCount++,这里可以暂时不管它,这个参数主要是用在集合的Fail-Fast机制(即快速失败机制)的判断中使用的。(以后有空再补充这方面的内容)
在这个方法里进行判断,新增元素后的大小minCapacity是否超过当前集合的容量elementData.length,如果超过,则调用grow方法进行扩容。我们进入该方法进行查看:
ArrayList的动态扩容与性能优化
在这里可以很清楚的看到扩容容量的计算:int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1),其中oldCapacity是原来的容量大小,oldCapacity >> 1 为位运算的右移操作,右移一位相当于除以2,所以这句代码就等于int newCapacity = oldCapacity + oldCapacity / 2;即容量扩大为原来的1.5倍(注意我这里使用的是jdk1.8,没记错的话1.7也是一样的),获取newCapacity后再对newCapacity的大小进行判断,如果仍然小于minCapacity,则直接让newCapacity 等于minCapacity,而不再计算1.5倍的扩容。然后还要再进行一步判断,即判断当前新容量是否超过最大的容量 if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0),如果超过,则调用hugeCapacity方法,传进去的是minCapacity,即新增元素后需要的最小容量:
ArrayList的动态扩容与性能优化
如果minCapacity大于MAX_ARRAY_SIZE,则返回Integer的最大值。否则返回MAX_ARRAY_SIZE。
ArrayList的动态扩容与性能优化
然后回到grow方法,调用Arrays.copyof方法,即复制原数组内容到一个新容量的大数组里。这里Arrays.copyof方法实际是调用System.arraycopy方法。
到这里,应该可以很清楚的知道ArrayList底层扩容的原理了。与Vector不同的是,Vector每次扩容容量是翻倍,即为原来的2倍,而ArrayList是1.5倍。看似1.5倍增长的很慢,那经常增加大量元素会不会导致经常扩容,数组重新分配导致效率低下呢?其实不然,每次增长为原来的1.5倍实际增长的量会越来越大的,可以看看网友统计的数据(参考:http://blog.csdn.net/java2000_net/article/details/5215882):
1千需要分配 11次
1万一级需要分配17次
10万 需要分配23次
100万需要分配28次
当然,如果一开始知道数据量很大的话,可以在初始化时预先指定容量。
get方法
很明显是通过数组下标索引来指定返回的数组,这里不多做解释。
ArrayList的动态扩容与性能优化
验证
无参构造函数,add三个元素,
按照理解,此时默认容量应该为10:
ArrayList的动态扩容与性能优化
可以看出:elementData容量为10,size为3。

无参构造函数,增加12个元素:
测试代码:
  1. List<Integer> list = new ArrayList<>();
  2. for (int i = 0 ; i < 12; i ++) {
  3. list.add(i);
  4. }
  5. System.out.println("ok");

通过debug查看结果:
ArrayList的动态扩容与性能优化
看到elementData扩容为15(10+10/2 = 15),而集合元素size为12。

无参构造函数,增加原来的1.5倍扩容量的数据:
测试代码:
  1. List<Integer> list = new ArrayList<>();
  2. List<Integer> newList = new ArrayList<>();
  3. for (int i = 0 ; i < 5; i ++) { 初始5
  4. list.add(i);
  5. }
  6. for (int i = 5 ; i < 20; i ++) {
  7. newList.add(i);
  8. }
  9. list.addAll(newList); //一次性增加15个
  10. System.out.println("ok");
ArrayList的动态扩容与性能优化
正常情况下,新增5个后,容量为10,再次新增,会变为原来的1.5倍,即15,但是这里新增15个,明显超过,按照上面的理解,应该直接让新容量等于需要的最小容量20,从测试截图可以看到,结果正确。

带集合参数构造函数:
测试代码:
  1. List<Integer> newList = new ArrayList<>();
  2. for (int i = 5 ; i < 20; i ++) {
  3. newList.add(i);
  4. }
  5. List<Integer> list = new ArrayList<>(newList);
  6. System.out.println("ok");

测试结果:
ArrayList的动态扩容与性能优化
可以看到,结果elementData的容量即为集合参数的大小。
总结
总之,ArrayList默认容量是10,如果初始化时一开始指定了容量,或者通过集合作为元素,则容量为指定的大小或参数集合的大小。每次扩容为原来的1.5倍,如果新增后超过这个容量,则容量为新增后所需的最小容量。如果增加0.5倍后的新容量超过限制的容量,则用所需的最小容量与限制的容量进行判断,超过则指定为Integer的最大值,否则指定为限制容量大小。然后通过数组的复制将原数据复制到一个更大(新的容量大小)的数组。
附:
size和modCount的区别
可能看了源码有时候还分不清size和modCount的区别,那么这里就用例子来说明。
size是ArrayList的变量。modCount是ArrayList的父类AbstractList中的变量,默认值为0。
size记录了ArrayList中元素的数量,modCount记录的是关于元素的数目被修改的次数。modCount在ArrayList的普通操作里可能并没有看出多大用处,但是在涉及到fail-fast就主要是依靠它了。
直接用下面这段代码进行测试:
  1. List<Integer> list = new ArrayList<>();
  2. list.add(1);
  3. list.add(2);
  4. list.add(3);
  5. list.add(4);
  6. list.remove(2);
  7. list.add(5);
  8. list.set(1, 100);
  9. list.remove(4);
  10. System.out.println(list.size());
当执行完 list.add(4)时,此时modCount和size都为4:
ArrayList的动态扩容与性能优化
当执行完list.remove(2)时,此时元素数量发生了修改,所以modCount++即5,而size记录集合中元素的个数,移除了一个后,size=size-1即3:
ArrayList的动态扩容与性能优化

当执行完list.add(5)时,此时元素数量再次发生了修改,所以modCount++即5,而size记录集合中元素的个数,增加了一个后,size=size-1即4:

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当执行完list.set(1, 100)时,元素的数量并没有发生改变,所以modCount和size都不变。

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