浅谈ArrayList扩容机制及源码分析
ArrayList有三种方式来初始化,构造方法源码如下:
//默认初始化容量大小
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
//最大数组值,超过报内存溢出
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
//共享的空数组实例,用于默认大小的空实例。我们将其与EMPTY_ELEMENTDATA区别开来,以了解添加第一个元素时需要增加多少
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
//ArrayList元素存储到的数组缓冲区。 ArrayList的容量是此数组缓冲区的长度。添加第一个元素时,任何具有elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 的空ArrayList将被扩展为DEFAULT_CAPACITY。
transient Object[] elementData;
/**
* Constructs an empty list with an initial capacity of ten.
*/
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
//带初始容量参数的构造函数(自己指定容量)
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);
}
}
//构造包含指定collection元素的列表,这些元素利用该集合的迭代器按顺序返回如果指定的集合为null,throws NullPointerException。
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
elementData = c.toArray();
if ((size = elementData.length) != 0) {
// c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
if (elementData.getClass() != Object[].class)
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
} else {
// replace with empty array.
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}
}
以无参数构造方法创建 ArrayList 时,实际上初始化赋值的是一个空数组。当真正对数组进行添加元素操作时,才真正分配容量。即向数组中添加第一个元素时,数组容量扩为10。 下面在我们分析 ArrayList 扩容时会讲到这一点内容.
一。add方法(将指定的元素追加到此列表的末尾)
public boolean add(E e) {
//调用ensureCapacityInternal方法
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
//添加元素的实质就相当于为数组赋值
elementData[size++] = e;
return true;
}
可以看到 add 方法 首先调用了ensureCapacityInternal(size + 1)
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}
private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
//获取默认的容量和传入参数的较大值
return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
return minCapacity;
}
当 要 add 进第1个元素时,minCapacity为1,在Math.max()方法比较后,minCapacity 为10。
ensureExplicitCapacity() 方法
//判断是否需要扩容
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
modCount++;
// overflow-conscious code
if (minCapacity - elementData.length > 0)
//11-10》0调用grow方法进行扩容
grow(minCapacity);
}
当我们要 add 进第1个元素到 ArrayList 时,elementData.length 为0 (因为还是一个空的 list),因为执行了 ensureCapacityInternal() 方法 ,所以 minCapacity 此时为10。此时,minCapacity - elementData.length > 0 成立,所以会进入 grow(minCapacity) 方法。
- 当add第2个元素时,minCapacity 为2,此时e lementData.length(容量)在添加第一个元素后扩容成 10 了。此时,minCapacity - elementData.length > 0 不成立,所以不会进入 (执行)grow(minCapacity) 方法。
- 添加第3、4···到第10个元素时,依然不会执行grow方法,数组容量都为10。
直到添加第11个元素,minCapacity(为11)比elementData.length(为10)要大。进入grow方法进行扩容。
grow方法
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
/**
* 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
*/
//核心方法
private void grow(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length;
//右移一位,相当于oldxCapacity/2 ,将新容量更新为旧容量的1.5倍
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
//检查新是否小于旧
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
//检查新容量是否大于最大容量则新容量为integer.max_array.size
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;
如果新容量大于 MAX_ARRAY_SIZE,进入(执行) hugeCapacity() 方法来比较 minCapacity 和 MAX_ARRAY_SIZE,如果minCapacity大于最大容量,则新容量则为Integer.MAX_VALUE,否则,新容量大小则为 MAX_ARRAY_SIZE 即为 Integer.MAX_VALUE - 8。
}
探究一下grow() 方法 :
- 当add第1个元素时,oldCapacity 为0,经比较后第一个if判断成立,newCapacity = minCapacity(为10)。但是第二个if判断不会成立,即newCapacity 不比 MAX_ARRAY_SIZE大,则不会进入 hugeCapacity 方法。数组容量为10,add方法中 return true,size增为1。
- 当add第11个元素进入grow方法时,newCapacity为15,比minCapacity(为11)大,第一个if判断不成立。新容量没有大于数组最大size,不会进入hugeCapacity方法。数组容量扩为15,add方法中return true,size增为11。
- 以此类推······
这里补充一点比较重要,但是容易被忽视掉的知识点:
①java 中的 length 属性是针对数组说的,比如说你声明了一个数组,想知道这个数组的长度则用到了 length 这个属性.
②java 中的 length() 方法是针对字符串说的,如果想看这个字符串的长度则用到 length() 这个方法.
③java 中的 size() 方法是针对泛型集合说的,如果想看这个泛型有多少个元素,就调用此方法来查看!
到目前为止,我们就可以知道add(E e)
的基本实现了:
-
首先去检查一下数组的容量是否足够
-
- 扩容到原来的1.5倍
- 第一次扩容后,如果容量还是小于minCapacity,就将容量扩充为minCapacity。
- 足够:直接添加
- 不足够:扩容
System.arraycopy() 和 Arrays.copyOf()方法
阅读源码的话,我们就会发现 ArrayList 中大量调用了这两个方法。比如:我们上面讲的扩容操作以及add(int index, E element)、toArray() 等方法中都用到了该方法!
二。add(int index,E element)
//在此列表中的指定位置插入指定的元素。
//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。
public void add(int index, E element) {
rangeCheckForAdd(index);
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!! 10
//arraycopy()方法实现数组自己复制自己(c++实现)
//elementData:源数组;index:源数组中的起始位置;elementData:目标数组;index + 1:目标数组中的起始位置; size - index:要复制的数组元素 的数量; System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index);
elementData[index] = element;
size++;
}
三。get方法
public E get(int index){
rangecheck(index);
return elementData(index);
}
// 检查角标
private void rangeCheck(int index) {
if (index >= size)
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
// 返回元素
E elementData(int index) {
return (E) elementData[index];
}
四。 remove
检查角标
- 删除元素
- 计算出需要移动的个数,并移动
- 设置为null,让Gc回收
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);
elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
return oldValue;
}
五细节说明
- ArrayList是基于动态数组实现的,在增删时候,需要数组的拷贝复制。
- ArrayList的默认初始化容量是10,每次扩容时候增加原先容量的一半,也就是变为原来的1.5倍
- 删除元素时不会减少容量,若希望减少容量则调用trimToSize()
- 它不是线程安全的。它能存放null值。
六。vector与arraylist区别
Vector底层也是数组,与ArrayList最大的区别就是:同步(线程安全)
Vector是同步的,我们可以从方法上就可以看得出来~
在要求非同步的情况下,我们一般都是使用ArrayList来替代Vector的了~
如果想要ArrayList实现同步,可以使用Collections的方法:List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList(...));
,就可以实现同步了~
还有另一个区别:
- ArrayList在底层数组不够用时在原来的基础上扩展0.5倍,Vector是扩展1倍。、
vector----grow
private void grow(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length;
int newCapacity = oldCapacity + ((capacityIncrement > 0) ?
capacityIncrement : oldCapacity);
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
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;
}
Vector源码的解析可参考:
LinkedList解析
LinkedList底层是双向链表
add方法
public boolean add(E e) {
linkLast(e);
return true;
}
void linkLast(E e) {
final Node<E> l = last;
final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
last = newNode;
if (l == null)
first = newNode;
else
l.next = newNode;
size++;
modCount++;
}
remove
public boolean remove(Object o) {
if (o == null) {
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
if (x.item == null) {
//删除元素
unlink(x);
return true;
}
}
} else {
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
//删除元素实际上就是用equals看看这个元素是否在里面
if (o.equals(x.item)) {
unlink(x);
return true;
}
}
}
return false;
}
get
Node<E> node(int index) {
// assert isElementIndex(index);
if (index < (size >> 1)) {
Node<E> x = first;
//下标小于长度的一半那就从头遍历
for (int i = 0; i < index; i++)
x = x.next;
return x;
} else {
//从尾遍历
Node<E> x = last;
for (int i = size - 1; i > index; i--)
x = x.prev;
return x;
}
}
set
set方法和get方法其实差不多,根据下标来判断是从头遍历还是从尾遍历
public E set(int index, E element) {
checkElementIndex(index);
Node<E> x = node(index);
E oldVal = x.item;
x.item = element;
return oldVal;
}
其余方法可参考
https://blog.csdn.net/panweiwei1994/article/details/77110354
总结
ArrayList:
- 底层实现是数组
- ArrayList的默认初始化容量是10,每次扩容时候增加原先容量的一半,也就是变为原来的1.5倍
- 在增删时候,需要数组的拷贝复制(navite 方法由C/C++实现)
LinkedList:
- 底层实现是双向链表[双向链表方便实现往前遍历]
Vector:
-
底层是数组,现在已少用,被ArrayList替代,原因有两个:
-
- Vector所有方法都是同步,有性能损失。
- Vector初始length是10 超过length时 以100%比率增长,相比于ArrayList更多消耗内存。
- 参考资料:https://www.zhihu.com/question/31948523/answer/113357347
总的来说:查询多用ArrayList,增删多用LinkedList。
ArrayList增删慢不是绝对的(在数量大的情况下,已测试):
- 如果增加元素一直是使用
add()
(增加到末尾)的话,那是ArrayList要快 - 一直删除末尾的元素也是ArrayList要快【不用复制移动位置】
- 至于如果删除的是中间的位置的话,还是ArrayList要快!
但一般来说:增删多还是用LinkedList,因为上面的情况是极端的~