ArrayList源码解析自动扩容机制与add操作

Posted 2020-09-19

　　本篇主要分析ArrayList的自动扩容机制，add和remove的相关方法。

　　作为一个list，add和remove操作自然是必须的。

　　前面说过，ArrayList底层是使用Object数组实现的。数组的特性是大小固定，这个特性导致的后果之一就是，当ArrayList中成员个数超过capacity后，就需要重新分配一个大的数组，并将原来的成员拷贝到新的数组之中。

　　add操作前都需要保证capacity足够，因此扩容机制和add放在一起讲解。

1.ArrayList的自动扩容机制

　　ArrayList有两个概念，capacity和size。capacity就是底层Object数组的length，表示能容纳的最大成员数；size则表示已经存储的成员数，可以通过size()函数获取。

    /**
     * Returns the number of elements in this list.
     *
     * @return the number of elements in this list
     */
    public int size() {
        return size;
    }

　　有时我们需要保证ArrayList的capacity能满足一个最小值，比如ArrayList的当前capacity为10，且size也为10，这时需要插入一个成员，就要保证ArrayList的capacity至少为11。这时就需要ArrayList的扩容机制发挥作用。

　　ArrayList的扩容相关方法如下：

  /**    
 　　* Increases the capacity of this <tt>ArrayList</tt> instance, if
     * necessary, to ensure that it can hold at least the number of elements
     * specified by the minimum capacity argument.
     * 如果需要，函数增加ArrayList的容量，以确保至少可以容纳minCapacity指定的成员数量。
     * @param   minCapacity   the desired minimum capacity
     */
    public void ensureCapacity(int minCapacity) {
        int minExpand = (elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)
            // any size if not default element table
            ? 0
            // larger than default for default empty table. It‘s already
            // supposed to be at default size.
            : DEFAULT_CAPACITY;

        if (minCapacity > minExpand) {
            ensureExplicitCapacity(minCapacity);
        }
    }

    private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
            minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }

        ensureExplicitCapacity(minCapacity);
    }

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

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

　　上面三个方法都比较简单，关键在于ensureExplicitCapacity()方法中调用的grow()方法，正是这个方法实现了扩容：

    /**
     * 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;
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        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);
    }

 

　　当调用grow()方法时，已经确定要进行扩容了，所以grow()中不再进行是否进行扩容的判断。

　　oldCapacity存储旧容量值，新的容量值newCapacity取（1+0.5）倍的oldCapacity大小，如下：

int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);

　　如果newCapacity仍然小于期望扩充的最小值minCapacity，newCapacity取minCapacity的大小；否则就取（1+0.5）倍的oldCapacity大小。

　　如果计算得到的newCapacity比MAX_ARRAY_SIZE还大，就需要调用hugeCapacity()方法进行处理。

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

最后，将原来数组中的成员拷贝到新的数组中。

简言之，当minCapacity大于ArrayList的capacity时，就将数组的长度扩充到原来的1.5倍，如果这个值还是小于minCapacity，就取minCapacity作为新的capacity。

ArrayList的扩容机制提高了性能，如果每次只扩充一个，那么频繁的插入会导致频繁的拷贝，降低性能，而ArrayList的扩容机制避免了这种情况。

2.add操作

ArrayList操作都调用了上面的ensureCapacityInternal()，先保证ArrayList的capacity足够大（至少为size+1），所以可能发生了数组的复制，也可能没有发生。

所有的add相关的方法都修改了size的值，因此modCount值也会增加。

ArrayList共有四个add相关的方法，前两个用来添加单个成员，后两个用来将一个Collection的所有成员添加到ArrayList中：

1）在ArrayList末尾添加一个成员

    /**
     * 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;
    }

这个方法比较容易理解，先保证capacity足够，然后在ArrayList的末尾添加成员，返回类型为boolean。

2）在指定位置插入一个成员

    /**
     * Inserts the specified element at the specified position in this
     * list. Shifts the element currently at that position (if any) and
     * any subsequent elements to the right (adds one to their indices).
     *
     * @param index index at which the specified element is to be inserted
     * @param element element to be inserted
     * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
     */
    public void add(int index, E element) {
        rangeCheckForAdd(index);

        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                         size - index);
        elementData[index] = element;
        size++;
    }

这个方法在index的位置插入成员element：

　　先调用 rangeCheckForAdd 对index进行界限检查；

　　然后调用 ensureCapacityInternal 方法保证capacity足够大；

　　再将从index开始之后的所有成员后移一个位置；

　　将element插入index位置；

　　最后size加1。

3）将一个Collection的所有成员都添加到ArrayList的末尾

    /**
     * Appends all of the elements in the specified collection to the end of
     * this list, in the order that they are returned by the
     * specified collection‘s Iterator.  The behavior of this operation is
     * undefined if the specified collection is modified while the operation
     * is in progress.  (This implies that the behavior of this call is
     * undefined if the specified collection is this list, and this
     * list is nonempty.)
     *
     * @param c collection containing elements to be added to this list
     * @return <tt>true</tt> if this list changed as a result of the call
     * @throws NullPointerException if the specified collection is null
     */
    public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
        Object[] a = c.toArray();
        int numNew = a.length;
        ensureCapacityInternal(size + numNew);  // Increments modCount
        System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
        size += numNew;
        return numNew != 0;
    }

这个方法只有一个参数，默认将Collection的所有成员都添加到ArrayList的末尾：

　　先将Collection转换为数组a；

　　确保ArrayList的capacity足够大（至少size+a.length）；

　　将数组a的所有成员拷贝到ArrayList的末尾；

     size增加Collection的成员个数， 并返回Collection成员个数。

 4）将一个Collection的所有成员插入到ArrayList的指定位置

    /**
     * Inserts all of the elements in the specified collection into this
     * list, starting at the specified position.  Shifts the element
     * currently at that position (if any) and any subsequent elements to
     * the right (increases their indices).  The new elements will appear
     * in the list in the order that they are returned by the
     * specified collection‘s iterator.
     *
     * @param index index at which to insert the first element from the
     *              specified collection
     * @param c collection containing elements to be added to this list
     * @return <tt>true</tt> if this list changed as a result of the call
     * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
     * @throws NullPointerException if the specified collection is null
     */
    public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
        rangeCheckForAdd(index);

        Object[] a = c.toArray();
        int numNew = a.length;
        ensureCapacityInternal(size + numNew);  // Increments modCount

        int numMoved = size - index;
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew,
                             numMoved);

        System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);
        size += numNew;
        return numNew != 0;
    }

这个方法需要注意的是，需要将index位置以及这之后的（size-index）个成员后移numNew位，空出numNew个位置，以便存放Collection中的numNew个成员。