前言
有時我們希望將把數據保存在單個連續的數組中，以便快速、便捷地訪問數據，但這需要調整數組大小或者對其擴展。Java 數組不能調整大小，只用數組不足以達成目標。可變長原始類型數組需要自己實現。本文將展示如何實現 Java 可變長數組。
爲什麼不用 ArrayList？
要滿足文章開頭的需求，爲什麼不使用 Java ArrayList？如果滿足下面條件之一，可以使用 ArrayList：
在數組中存儲某種對象類型；
在數組中存儲原始類型，沒有特別的性能或內存要求。
Java ArrayList 類只適用於對象，不適合原始類型（byte、int、long等）。使用 ArrayList 存儲原始類型數據，插入 ArrayList 時會自動裝箱爲對象中，從中取出時會進行拆箱轉爲原始類型。裝箱和拆箱在插入元素和訪問元素時會帶來額外開銷，在嘗試針對性能進行優化時，應該避免這些開銷（本文是 Java 性能跟蹤的一部分）。
不僅如此，這種方式無法確定自動裝箱對象在內存中的存儲位置。很可能分散存儲在堆中各個位置。因此，與原始類型數組相比訪問速度要慢得多，前者在內存中連續存儲。
另外，原始類型裝箱會帶來額外的內存開銷，例如 long 會存到 Long 對象。
本文源代碼
本文實現了 Java 變長數組源代碼可以在 GitHub 下載：
github.com/jjenkov/java-resizable-array
代碼包含三個 Java 類和兩個單元測試。
可變長數組用例
假設有一臺服務器接收大小不同的郵件。其中有些郵件很小（小於4KB），另一些很大（1MB 甚至更大）。
如果服務器同時從多個（10萬多個）連接接收消息，那麼需要爲每個消息限制預分配內存。每個緩衝區不能只按最大值（1MB或16MB）分配內存。當連接和消息數量增加時，這種方式會快速耗盡服務器內存！100_000 x 1MB = 100GB（這是估計值，幫助問題理解）。
假設大多數消息比較小，一開始可以使用較小的緩衝區。如果消息超出緩存大小，則分配一個更大的新數組，並把數據拷貝到該數組中。如果消息超出分配的新數組，接着分配一個比之前更大的數組，並把消息複製到該數組。
使用這種策略，大多數消息通常只會存入小數組。這意味着服務器內存得到了更有效的利用。100_000 x 4KB (小緩衝) = 400MB大多數服務器應該能夠正常處理。即使是 4GB (1_000_000 x 4KB)，現在的服務器也能滿足要求。
可變長數組設計
可變長數組包含兩個組件：
ResizableArray
ResizableArrayBuffer
ResizableArrayBuffer 包含一個大數組。該數組被劃分爲三個部分。一段用作小數組，一段用作中數組，一段用作大數組。ResizableArray類表示一個可變長數組，底層數據存儲在ResizableArrayBuffer中。
下圖展示了數組分爲三段，每段再分爲小塊：
通過爲小、中、大不同類型數據預留空間，ResizableArrayBuffer 能夠確保不會被某種大小的數據塞滿。例如，小數據不會佔用數組的所有內存，進而阻斷中型和大數據存儲。同樣，接收大數據也不會佔用所有內存，進而阻斷小數據和中型數據存儲。
由於底層存儲以小數據開始，如果小數組存儲空間耗盡，那麼無論中數組或大數組是否還有空間，都無法分配新的數組。可以讓使小數組足夠大，減小發生這種情況的可能性。
即使小數組已經全部用完，仍然可以把小數據變成中型和大型數據。
優化方案
一種優化方案：只用一個存儲塊。需要的時候在待擴展的塊後面直接分配新塊。這樣不需要把數據從舊數組拷貝到新數組，可以直接“擴展”存儲塊容納舊數據和新數據，新數據直接寫入新增的第二個擴展塊即可。這樣避免了拷貝所有數組數據的情況。
上述優化的缺點在於，如果無法擴展下一個內存塊仍然需要拷貝數據。因此需要加入“可擴展”檢查，這個操作開銷不大。此外，如果存儲塊大小設置過小，在小數據、中等數據和大數據都存在的情況下會出現頻繁擴展。
跟蹤空閒塊
ResizableArrayBuffer 內部的大數組同樣分爲三段。每段都被分爲更小的存儲塊；每段中的存儲塊大小相同；小數組中的存儲塊大小相同；中型數組中的存儲塊大小相同；大數組中的存儲塊大小相同。
每段中的存儲塊大小相同可以更方便地追蹤塊使用狀態。可以使用隊列記錄每個塊的起始索引。還需要一個隊列記錄每段中的共享數組。最終，一個隊列來跟蹤空閒小數據塊，一個隊列用記錄空閒的中型數據塊，一個隊列用於空閒的大數據塊。
根據數據類型從響應隊列獲取下一個空閒塊起始索引，可以實現從任意數據段分配存儲塊。把起始索引放回相應隊列可以釋放數據塊。
這裏我用簡單的環形緩衝區實現隊列。GitHub 倉庫對應的代碼爲 QueueIntFlip。
擴展寫
向數組寫數據時，可變長數組自動擴展。如果嘗試向數組寫入的數據超出當前分配的存儲空間，將分配一個新的更大的存儲塊並把所有數據拷貝到新塊中，然後釋放之前較小的存儲塊。
釋放數組
一旦可變長數組完成了大小調整，應該對其進行釋放以便可以接收其他消息。
使用 ResizableArrayBuffer
下面展示如何使用 GitHub 中 ResizableArrayBuffer。
創建一個 ResizableArrayBuffer
首先，必須創建一個 ResizableArrayBuffer。示例如下：
這個例子創建的 ResizableArrayBuffer 包含一個4KB小數組，128KB中數組和1MB大數組。ResizableArrayBuffer存儲空間包含1024個小數組（共4MB）、32箇中數組（共4MB）和4個大數組（共4MB），完整的共享數組大小總計12MB。
獲取 ResizableArray 實例
要得到 ResizableArray 實例，調用 ResizableArrayBuffer的getArray() 方法，如下所示：
這裏得到一個最小的 ResizableArray（之前設置爲4KB）。
向 ResizableArray 寫數據
調用 write() 方法向 ResizableArray 寫數據。GitHub 中 ResizableArray 類只包含一個 write() 方法，其參數爲 ByteBuffer。不過，可以根據需要自行添加更多 write() 方法。
下面是寫數據示例：
上面的代碼把 ByteBuffer 內容複製到 ResizableArray 數組中。Write() 返回從 ByteBuffer 拷貝的字節數。
如果 ByteBuffer 包含的數據超出了 ResizableArray 容量，這時 ResizableArray 會嘗試擴展,爲 ByteBuffer 中的數據留出空間。如果 ResizableArray 即使擴展到最大值也無法容納 ByteBuffer 中的所有數據，則 write() 方法返回-1，並且不會複製任何數據！
從 ResizableArray 讀數據
從 ResizableArray 中讀數據時，可以直接從 ResizableArray 所有實例中直接讀取共享數組。ResizableArray 包含以下 public 字段：
sharedArray 字段對應所有 ResizableArray 實例中的共享數組,即ResizableArrayBuffer 的內部數組。
offset 字段對應共享數組的起始索引，ResizableArray 在這裏保存數據。
capacity 字段包含分配給 ResizableArray 實例中的塊大小。
length 字段包含 ResizableArray 實際使用的塊數量。
要讀取 ResizableArray 的寫入數據，只要讀取從sharedArray[offset] 到sharedArray[offset+ length -1] 的字節即可。
釋放 ResizableArray
一旦 ResizableArray 實例使用完畢應該釋放。只要在 ResizableArray 上調用 free() 方法即可，如下所示：
無論分配給 ResizableArray 塊大小如何，調用 free() 都能將使用的塊正確返還隊列。
變換設計
您可以根據自己的需要修改 ResizableArrayBuffer 設計。例如，可以在其中創建多於三個數據段。操作起來應該也很容易。
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