ArrayList自動擴容解析

探索ArrayList自動改變size真相

ArrayList的列表對象實質上是存儲在一個引用型數組裏的，有人認爲該數組有“自動增長機制”可以自動改變size大小。正式地說，該數組是無法改變

大小的，實際上它只是改變了該引用型數組的指向而已。下面，讓我們來看看java是怎樣實現ArrayList類的。

一、ArrayList類的實質

     ArrayList底層採用Object類型的數組實現，當使用不帶參數的構造方法生成ArrayList對象時，

實際上會在底層生成一個長度爲10的Object類型數組。

    首先，ArrayList定義了一個私有的未被序列化的數組elementData，用來存儲ArrayList的對象列表（注意只定義未初始）：

　　private transient Object[] elementData;

    

    其次，以指定初始容量（Capacity）或把指定的Collection轉換爲引用型數組後實例化elementData數組；如果沒有指定，則預置初始容量爲10進行

實例化。把私有數組預先實例化，然後通過copyOf方法覆蓋原數組，是實現自動改變ArrayList的大小(size)的關鍵。有人說ArrayList是複雜的數組，我

認爲不如說ArrayList是關於數組的系統的方法組合。

　　ArrayList的構造方法源碼如下：

    // 用指定的初始容量構造一個空列表。

    public ArrayList(int initialCapacity) {

        super();

        if (initialCapacity < 0)

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

        this.elementData = new Object[initialCapacity];//屬性指向新建長度爲初始容量的臨時數組

    }

    // 使用初始容量10構造一個空列表

    public ArrayList() {

        this(10);

    }

    / *構造包含利用collection的迭代器按順序返回的指定collection元素的列表

     * @param c 集合，它的元素被用來放入列表t

     * @throws NullPointerException 如果指定集合爲 null

     */

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

        elementData = c.toArray();//用Collection初始化數組elementData

        size = elementData.length;

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

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

    }

二、ArrayList實現自動改變size機制

   爲了實現這一機制，java引進了Capacity和size概念，以區別數組的length。爲了保證用戶增加新的列表對象，java設置了最小容量（minCapacity）

，通常情況上，它大於列表對象的數目，所以Capactiy雖然就是底層數組的長度（length），但是對於最終用戶來講，它是無意義的。而size存儲着列表

對象的數量，纔是最終用戶所需要的。爲了防止用戶錯誤修改，這一屬性被設置爲privae的，不過可以通過size()獲取。

   下面，對ArrayList的初始以及其列表對象的增加和刪除等三種情況下的size自動改變機制進行分析。

   1、初始Capacity和size值。

   從上面給出的ArrayList構造方法源碼中，我們不難看出Capacity初始值（initialCapacity）可以由用戶直接指定或由用戶指定的Collection集合存

儲的對象數目確定，如果沒有指定，系統默認爲10。而size的被聲明爲int型變量，默認爲0，當用戶指定Collection創建ArrayList時，size值等於

initialCapacity。

 

   2、add()方法

    該方法的源碼如下：

    public boolean add(E e) {

        ensureCapacityInternal(size + 1);

        elementData[size++] = e;//添加對象時，自增size

        return true;

    }

    方法中調用的ensureCapacityInternal主要用來調整容量，修改elementData數組的指向。其中涉及到3個方法的調用，其核心在於grow方法：

    

    private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {

        modCount++;//定義於ArrayList的父類AbstractList，用於存儲結構修改次數

        // 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);//新容量擴大到原容量的1.5倍，右移一位相關於原數值除以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爲常量，詳細請參閱下面的註解

    }

   

   通過以上代碼，我們可知java自動增加ArrayList大小的思路是：向ArrayList添加對象時，原對象數目加1如果大於原底層數組長度，則以適當長度新

建一個原數組的拷貝，並修改原數組，指向這個新建數組。原數組自動拋棄（java垃圾回收機制會自動回收）。size則在向數組添加對象，自增1。

 

   註解：

    //定義於該類的常量，用來分配數組的size最大值。一些 VMs在數組裏保留字頭，試圖分配更大數組時可能導致OutOfMemoryError:被請求數組的

size超出VM界限。

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

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

   public static final int   MIN_VALUE = 0x80000000;//整型取值區間下界：－2147483648

   public static final int   MAX_VALUE = 0x7fffffff;//整型取值區間上界：2147483647

　　//在java.util.AbstractList中modCount定義如下：

　　protected transient int modCount = 0;

    3、remove()方法

    該重構方法其一源碼如下（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);//將後面的列表對象前移

        elementData[--size] = null; // 數組前移一位，size自減，空出來的位置置null，具體的對象的銷燬由Junk收集器負責

        return oldValue;

    }

    private void rangeCheck(int index) {//邊界檢查

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

           throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));

    }

    E elementData(int index) {//獲取指定index所在位置的對象

        return (E) elementData[index];

    }

 

    通過remove()源碼的學習，我們不難看出，其改變ArrayList大小的核心與add()方法相似，都是同數組拷貝。

    另外，如果確有必要，用戶也可以指定ArrayList實例的容量，可以有效的降低時間成本。它是通過調用ensureCapacityInternal來實現的，源代碼

如下：

    public void ensureCapacity(int minCapacity) {

        if (minCapacity > 0)

            ensureCapacityInternal(minCapacity);

    }

    因爲size爲private的，java給出方法來訪問它：

    public int size() {

         checkForComodification();

         return this.size;

    }

 

    綜上所述，在用戶向ArrayList追加對象時，Java總是要先計算容量（Capacity）是否適當，若容量不足則把原數組拷貝到以指定容量爲長度創建的

新數組內，並對原數組變量重新賦值，指向新數組。在這同時，size進行自增1。在刪除對象時，先使用拷貝方法把指定index後面的對象前移1位（如果

有的話），然後把空出來的位置置null，交給Junk收集器銷燬，size自減1，即完成了