浅谈 ArrayList 及其扩容机制
浅谈ArrayList
ArrayList类又称动态数组,同时实现了Collection和List接口,其内部数据结构由数组实现,因此可对容器内元素实现快速随机访问。但因为ArrayList中插入或删除一个元素需要移动其他元素,所以不适合在插入和删除操作频繁的场景下使用。
ArrayList的容量可以随着元素的增加而自动增加,因此不用担心ArrayList容量不足的问题。
ArrayList是非线程安全的。
接下来,我们将解析ArrayList的构造方法,在看构造方法之前,我们先来明确一下ArrayList源码中的一些概念。这些变量和对象大家先记住就好了,后面会看到它们的用途。
// 默认的容量大小(常量)
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10; // 定义的空数组(final修饰,大小固定为0)
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {}; // 定义的默认空容量的数组(final修饰,大小固定为0)
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {}; // 定义的不可被序列化的数组,实际存储元素的数组
transient Object[] elementData; // 数组中元素的个数
private int size;
ArrayList有三种构造方法:
1.无参的构造方法
2.根据传入的数值大小,创建指定长度的数组
3.通过传入Collection元素列表进行生成
1.无参的构造方法
// 无参的构造方法
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
可以看出来,当我们直接创建ArrayList时,elementData被赋予了默认空容量的数组。注意,因为默认空容量数组是被final修饰的,此时ArrayList数组是空的、固定长度的,也就是说其容量此时是0,元素个数size为默认值0。
2.根据传入的数值大小,创建指定长度的数组
// 传容量的构造方法
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);
}
}
当initialCapacity > 0时,会在堆上new一个大小为initialCapacity的数组,然后将其引用赋给elementData,此时ArrayList的容量为initialCapacity,元素个数size为默认值0。
当initialCapacity = 0时,elementData被赋予了默认空数组,因为其被final修饰了,所以此时ArrayList的容量为0,元素个数size为默认值0。
当initialCapacity < 0时,会抛出异常。
3.通过传入Collection元素列表进行生成
// 传入Collection元素列表的构造方法
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
// 将列表转化为对应的数组
elementData = c.toArray();
if ((size = elementData.length) != 0) {
// 此处见下面详细解析
if (elementData.getClass() != Object[].class)
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
} else {
// 赋予空数组
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}
}
传入Collection元素列表后,构造方法首先会将其转化为数组,将其索引赋给elementData。如果此数组的长度为0,会重新赋予elementData为空数组,此时ArrayList的容量是0,元素个数size为0。
如果数组的长度不为0,会跟新size的大小为其长度,也就是元素的个数,然后执行里面的程序。大家对里面的代码可能不理解,让我们等会看下面解析。执行完后此时ArrayList的容量为传入序列的长度,也就是size的大小,同时元素个数也为size,也就是说,此时ArrayList是满的。
让我们来看看下面的代码,然后再去理解上面 if 语句的代码:
public class Test {
public static void main(String[] args) {
// 1.创建Student对象数组
Student[] students = new Student[] {
new Student("小明", 18),
new Student("小李", 19),
new Student("小张", 21)
};
// 2.将其赋值给Object对象数组
Object[] objects = students;
// 3.执行if语句前,打印数组的class
System.out.println("执行前:" + objects.getClass());
// 4.执行上面的代码
if (objects.getClass() != Object[].class) {
objects = Arrays.copyOf(objects, objects.length, Object[].class);
}
// 5.执行if语句后,打印数组的class
System.out.println("执行后:" + objects.getClass());
}
}
程序的运行结果如下:

可以看到,对象数组也是有.class的,其中含有所存储元素的类型,而上面的那段代码的作用就是将原对象数组的数组类型转化为Object对象数组的数组类型,以便更好的存储。
ArrayList的扩容机制
当我们探讨扩容时,肯定要从ArrayList的add方法走起,让我们来看看吧。
public boolean add(E e) {
modCount++;
add(e, elementData, size);
return true;
}
这是最基本的add方法,当然,也是可以来说明问题的。可以看到,此add方法的参数就是一个被加元素,moCount是记录ArrayList被修改的次数的,可以不用管。然后是另一个add方法,所传的值是被加元素、当前数组和当前数组的元素个数,让我们来看看这个add方法吧。
private void add(E e, Object[] elementData, int s) {
// 判断元素个数是否等于当前容量
if (s == elementData.length)
elementData = grow();
elementData[s] = e;
size = s + 1;
}
首先,它判断了元素个数是否等于当前的容量,也就是判断当前数组空间是不是满的,如果二者相等,则当前空间是满的,就需要扩容了,grow函数就是扩容函数了,扩容后再将被加元素加到数组中。
下面我们来看看grow函数是什么样子的:
private Object[] grow() {
return grow(size + 1);
}
它里面调用了一个带参的grow函数,参数是当前元素个数+1,也就是当前容量+1。返回的是这个函数的返回值,让我们进一步研究。
private Object[] grow(int minCapacity) {
// 获取老容量,也就是当前容量
int oldCapacity = elementData.length;
// 如果当前容量大于0 或者 数组不是DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
if (oldCapacity > 0 || elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
int newCapacity = ArraysSupport.newLength(oldCapacity,
minCapacity - oldCapacity, /* minimum growth */
oldCapacity >> 1 /* preferred growth */);
return elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
// 如果是 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA,创建新数组
} else {
return elementData = new Object[Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity)];
}
}
首先,它是记录了一下老容量的大小,然后再进行下面的操作。
如果当前容量大于0,或者当前数组不是DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA,前面说明过,DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA是一个空的长度固定为0的数组,在三个构造方法中,只有无参构造方法中elementData被赋予了DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA。也就是说,这个if语句中不会处理用默认无参构造方法创建的数组的初始扩容情况,那么其余的情况都是由此if语句来处理的。
我们来看一下if里面的操作,先创建一个新的数组,然后将旧数组拷贝到新数组并赋给elementData返回。ArraysSupport.newLength函数的作用是创建一个大小为oldCapacity+max(minimum growth, preferred growth)的数组。minCapacity是传入的参数,我们上面看过,它的值是当前容量(老容量)+1,那么minCapacity - oldCapacity的值恒为1,minimum growth的值恒为1;oldCapacity >> 1的功能是将oldCapacity 进行位操作,右移一位,也就是减半,preferred growth的值为oldCapacity 的一半。
当oldCapacity 为0时,右移后还是0,也就是说此时扩容的大小为0+max(1,0)=1,容量从0扩展到1,那么什么时候是这种情况呢?当传容量的构造方法传入的是0时,elementData被赋予的是EMPTY_ELEMENTDATA,数组容量为0,此时添加元素时,符合if的条件,会进入此扩容情况,容量从0扩展到1。当传Collection元素列表的构造方法被传入空列表时,elementData被赋予的是EMPTY_ELEMENTDATA,数组容量为0,此时添加元素时,符合if的条件,会进入此扩容情况,容量从0扩展到1。
当oldCapacity 大于0时,新创建的数组大小是老容量+老容量的一半,也就是老容量的1.5倍,每次扩容到原来的1.5倍。
if之外就剩一种情况了,也就是用默认无参构造方法创建的数组的初始扩容情况。此时的容量为0,添加一个元素时会创建一个新的数组,其大小为max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity),我们从上面的源码变量信息中可得知DEFAULT_CAPACITY的值为10,而minCapacity的值为1,所以添加一个元素时,max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity)的值必为10。也就是说,当我们用默认无参构造方法创建的数组在添加元素前,ArrayList的容量为0,添加一个元素后,ArrayList的容量为10。
总结一下
ArrayList的特点:
1.ArrayList的底层数据结构是数组,所以查找遍历快,增删慢。
2.ArrayList可随着元素的增长而自动扩容,正常扩容的话,每次扩容到原来的1.5倍。
3.ArrayList的线程是不安全的。
ArrayList的扩容:
在两种情况下需要扩容:
第一种情况,当ArrayList的容量为0时,此时添加元素的话,需要扩容。什么时候容量可能为0呢?当然是刚被创建的时候,三种构造方法创建的ArrayList在扩容时略有不同:
(1)无参构造,创建ArrayList后容量为0,添加第一个元素后,容量变为10,此后若需要扩容,则正常扩容。
(2)传容量构造,当参数为0时,创建ArrayList后容量为0,添加第一个元素后,容量为1,此时ArrayList是满的,下次添加元素时需正常扩容。
(3)传列表构造,当列表为空时,创建ArrayList后容量为0,添加第一个元素后,容量为1,此时ArrayList是满的,下次添加元素时需正常扩容。
第二种情况,当ArrayList的容量大于0时,此时添加元素若需要扩容的话,正常扩容,每次扩容到原来的1.5倍。
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