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【面試必備】透過源碼角度一步一步帶你分析 ArrayList 擴(kuò)容機(jī)制

jerry / 1716人閱讀

摘要:當(dāng)真正對數(shù)組進(jìn)行添加元素操作時(shí),才真正分配容量。下面在我們分析擴(kuò)容時(shí)會降到這一點(diǎn)內(nèi)容二一步一步分析擴(kuò)容機(jī)制這里以無參構(gòu)造函數(shù)創(chuàng)建的為例分析先來看方法將指定的元素追加到此列表的末尾。

該文已加入開源文檔:JavaGuide(一份涵蓋大部分Java程序員所需要掌握的核心知識)。地址:https://github.com/Snailclimb...
一 先從 ArrayList 的構(gòu)造函數(shù)說起

ArrayList有三種方式來初始化,構(gòu)造方法源碼如下:

   /**
     * 默認(rèn)初始容量大小
     */
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
    

    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

    /**
     *默認(rèn)構(gòu)造函數(shù),使用初始容量10構(gòu)造一個(gè)空列表(無參數(shù)構(gòu)造)
     */
    public ArrayList() {
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
    
    /**
     * 帶初始容量參數(shù)的構(gòu)造函數(shù)。(用戶自己指定容量)
     */
    public ArrayList(int initialCapacity) {
        if (initialCapacity > 0) {//初始容量大于0
            //創(chuàng)建initialCapacity大小的數(shù)組
            this.elementData = new Object[initialCapacity];
        } else if (initialCapacity == 0) {//初始容量等于0
            //創(chuàng)建空數(shù)組
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        } else {//初始容量小于0,拋出異常
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                               initialCapacity);
        }
    }


   /**
    *構(gòu)造包含指定collection元素的列表,這些元素利用該集合的迭代器按順序返回
    *如果指定的集合為null,throws NullPointerException。 
    */
     public ArrayList(Collection 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;
        }
    }

細(xì)心的同學(xué)一定會發(fā)現(xiàn) :以無參數(shù)構(gòu)造方法創(chuàng)建 ArrayList 時(shí),實(shí)際上初始化賦值的是一個(gè)空數(shù)組。當(dāng)真正對數(shù)組進(jìn)行添加元素操作時(shí),才真正分配容量。即向數(shù)組中添加第一個(gè)元素時(shí),數(shù)組容量擴(kuò)為10。 下面在我們分析 ArrayList 擴(kuò)容時(shí)會降到這一點(diǎn)內(nèi)容!

二 一步一步分析 ArrayList 擴(kuò)容機(jī)制

這里以無參構(gòu)造函數(shù)創(chuàng)建的 ArrayList 為例分析

1. 先來看 add 方法
    /**
     * 將指定的元素追加到此列表的末尾。 
     */
    public boolean add(E e) {
   //添加元素之前,先調(diào)用ensureCapacityInternal方法
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        //這里看到ArrayList添加元素的實(shí)質(zhì)就相當(dāng)于為數(shù)組賦值
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }
2. 再來看看 ensureCapacityInternal() 方法

可以看到 add 方法 首先調(diào)用了ensureCapacityInternal(size + 1)

   //得到最小擴(kuò)容量
    private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
              // 獲取默認(rèn)的容量和傳入?yún)?shù)的較大值
            minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }

        ensureExplicitCapacity(minCapacity);
    }

當(dāng) 要 add 進(jìn)第1個(gè)元素時(shí),minCapacity為1,在Math.max()方法比較后,minCapacity 為10。

3. ensureExplicitCapacity() 方法

如果調(diào)用 ensureCapacityInternal() 方法就一定會進(jìn)過(執(zhí)行)這個(gè)方法,下面我們來研究一下這個(gè)方法的源碼!

  //判斷是否需要擴(kuò)容
    private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        modCount++;

        // overflow-conscious code
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            //調(diào)用grow方法進(jìn)行擴(kuò)容,調(diào)用此方法代表已經(jīng)開始擴(kuò)容了
            grow(minCapacity);
    }

我們來仔細(xì)分析一下:

當(dāng)我們要 add 進(jìn)第1個(gè)元素到 ArrayList 時(shí),elementData.length 為0 (因?yàn)檫€是一個(gè)空的 list),因?yàn)閳?zhí)行了 ensureCapacityInternal() 方法 ,所以 minCapacity 此時(shí)為10。此時(shí),minCapacity - elementData.length > 0 成立,所以會進(jìn)入 grow(minCapacity) 方法。

當(dāng)add第2個(gè)元素時(shí),minCapacity 為2,此時(shí)e lementData.length(容量)在添加第一個(gè)元素后擴(kuò)容成 10 了。此時(shí),minCapacity - elementData.length > 0 不成立,所以不會進(jìn)入 (執(zhí)行)grow(minCapacity) 方法。

添加第3、4···到第10個(gè)元素時(shí),依然不會執(zhí)行g(shù)row方法,數(shù)組容量都為10。

直到添加第11個(gè)元素,minCapacity(為11)比elementData.length(為10)要大。進(jìn)入grow方法進(jìn)行擴(kuò)容。

4. grow() 方法
    /**
     * 要分配的最大數(shù)組大小
     */
    private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

    /**
     * ArrayList擴(kuò)容的核心方法。
     */
    private void grow(int minCapacity) {
        // oldCapacity為舊容量,newCapacity為新容量
        int oldCapacity = elementData.length;
        //將oldCapacity 右移一位,其效果相當(dāng)于oldCapacity /2,
        //我們知道位運(yùn)算的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于整除運(yùn)算,整句運(yùn)算式的結(jié)果就是將新容量更新為舊容量的1.5倍,
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        //然后檢查新容量是否大于最小需要容量,若還是小于最小需要容量,那么就把最小需要容量當(dāng)作數(shù)組的新容量,
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            newCapacity = minCapacity;
       // 如果新容量大于 MAX_ARRAY_SIZE,進(jìn)入(執(zhí)行) `hugeCapacity()` 方法來比較 minCapacity 和 MAX_ARRAY_SIZE,
       //如果minCapacity大于最大容量,則新容量則為`Integer.MAX_VALUE`,否則,新容量大小則為 MAX_ARRAY_SIZE 即為 `Integer.MAX_VALUE - 8`。
        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);
    }

int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1),所以 ArrayList 每次擴(kuò)容之后容量都會變?yōu)樵瓉淼?1.5 倍! 記清楚了!不是網(wǎng)上很多人說的 1.5 倍+1!

">>"(移位運(yùn)算符):>>1 右移一位相當(dāng)于除2,右移n位相當(dāng)于除以 2 的 n 次方。這里 oldCapacity 明顯右移了1位所以相當(dāng)于oldCapacity /2。對于大數(shù)據(jù)的2進(jìn)制運(yùn)算,位移運(yùn)算符比那些普通運(yùn)算符的運(yùn)算要快很多,因?yàn)槌绦騼H僅移動一下而已,不去計(jì)算,這樣提高了效率,節(jié)省了資源  

我們再來通過例子探究一下grow() 方法 :

當(dāng)add第1個(gè)元素時(shí),oldCapacity 為0,經(jīng)比較后第一個(gè)if判斷成立,newCapacity = minCapacity(為10)。但是第二個(gè)if判斷不會成立,即newCapacity 不比 MAX_ARRAY_SIZE大,則不會進(jìn)入 hugeCapacity 方法。數(shù)組容量為10,add方法中 return true,size增為1。

當(dāng)add第11個(gè)元素進(jìn)入grow方法時(shí),newCapacity為15,比minCapacity(為11)大,第一個(gè)if判斷不成立。新容量沒有大于數(shù)組最大size,不會進(jìn)入hugeCapacity方法。數(shù)組容量擴(kuò)為15,add方法中return true,size增為11。

以此類推······

這里補(bǔ)充一點(diǎn)比較重要,但是容易被忽視掉的知識點(diǎn):

java 中的 length 屬性是針對數(shù)組說的,比如說你聲明了一個(gè)數(shù)組,想知道這個(gè)數(shù)組的長度則用到了 length 這個(gè)屬性.

java 中的 length() 方法是針對字符串說的,如果想看這個(gè)字符串的長度則用到 length() 這個(gè)方法.

java 中的 size() 方法是針對泛型集合說的,如果想看這個(gè)泛型有多少個(gè)元素,就調(diào)用此方法來查看!

5. hugeCapacity() 方法。

從上面 grow() 方法源碼我們知道: 如果新容量大于 MAX_ARRAY_SIZE,進(jìn)入(執(zhí)行) hugeCapacity() 方法來比較 minCapacity 和 MAX_ARRAY_SIZE,如果minCapacity大于最大容量,則新容量則為Integer.MAX_VALUE,否則,新容量大小則為 MAX_ARRAY_SIZE 即為 Integer.MAX_VALUE - 8

    private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
        if (minCapacity < 0) // overflow
            throw new OutOfMemoryError();
        //對minCapacity和MAX_ARRAY_SIZE進(jìn)行比較
        //若minCapacity大,將Integer.MAX_VALUE作為新數(shù)組的大小
        //若MAX_ARRAY_SIZE大,將MAX_ARRAY_SIZE作為新數(shù)組的大小
        //MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
        return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
            Integer.MAX_VALUE :
            MAX_ARRAY_SIZE;
    }
System.arraycopy()Arrays.copyOf()方法

閱讀源碼的話,我們就會發(fā)現(xiàn) ArrayList 中大量調(diào)用了這兩個(gè)方法。比如:我們上面講的擴(kuò)容操作以及add(int index, E element)toArray() 等方法中都用到了該方法!

3.1 System.arraycopy() 方法
    /**
     * 在此列表中的指定位置插入指定的元素。 
     *先調(diào)用 rangeCheckForAdd 對index進(jìn)行界限檢查;然后調(diào)用 ensureCapacityInternal 方法保證capacity足夠大;
     *再將從index開始之后的所有成員后移一個(gè)位置;將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!!
        //arraycopy()方法實(shí)現(xiàn)數(shù)組自己復(fù)制自己
        //elementData:源數(shù)組;index:源數(shù)組中的起始位置;elementData:目標(biāo)數(shù)組;index + 1:目標(biāo)數(shù)組中的起始位置; size - index:要復(fù)制的數(shù)組元素的數(shù)量;
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index);
        elementData[index] = element;
        size++;
    }

我們寫一個(gè)簡單的方法測試以下:

public class ArraycopyTest {

    public static void main(String[] args) {
        // TODO Auto-generated method stub
        int[] a = new int[10];
        a[0] = 0;
        a[1] = 1;
        a[2] = 2;
        a[3] = 3;
        System.arraycopy(a, 2, a, 3, 3);
        a[2]=99;
        for (int i = 0; i < a.length; i++) {
            System.out.println(a[i]);
        }
    }

}

結(jié)果:

0 1 99 2 3 0 0 0 0 0 
3.2 Arrays.copyOf()方法
   /**
     以正確的順序返回一個(gè)包含此列表中所有元素的數(shù)組(從第一個(gè)到最后一個(gè)元素); 返回的數(shù)組的運(yùn)行時(shí)類型是指定數(shù)組的運(yùn)行時(shí)類型。 
     */
    public Object[] toArray() {
    //elementData:要復(fù)制的數(shù)組;size:要復(fù)制的長度
        return Arrays.copyOf(elementData, size);
    }

個(gè)人覺得使用 Arrays.copyOf()方法主要是為了給原有數(shù)組擴(kuò)容,測試代碼如下:

public class ArrayscopyOfTest {

    public static void main(String[] args) {
        int[] a = new int[3];
        a[0] = 0;
        a[1] = 1;
        a[2] = 2;
        int[] b = Arrays.copyOf(a, 10);
        System.out.println("b.length"+b.length);
    }
}

結(jié)果:

10
3.3 兩者聯(lián)系和區(qū)別

聯(lián)系:

看兩者源代碼可以發(fā)現(xiàn) copyOf() 內(nèi)部實(shí)際調(diào)用了 System.arraycopy() 方法

區(qū)別:

arraycopy() 需要目標(biāo)數(shù)組,將原數(shù)組拷貝到你自己定義的數(shù)組里或者原數(shù)組,而且可以選擇拷貝的起點(diǎn)和長度以及放入新數(shù)組中的位置 copyOf() 是系統(tǒng)自動在內(nèi)部新建一個(gè)數(shù)組,并返回該數(shù)組。

ensureCapacity方法

ArrayList 源碼中有一個(gè) ensureCapacity 方法不知道大家注意到?jīng)]有,這個(gè)方法 ArrayList 內(nèi)部沒有被調(diào)用過,所以很顯然是提供給用戶調(diào)用的,那么這個(gè)方法有什么作用呢?

    /**
    如有必要,增加此 ArrayList 實(shí)例的容量,以確保它至少可以容納由minimum capacity參數(shù)指定的元素?cái)?shù)。
     *
     * @param   minCapacity   所需的最小容量
     */
    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);
        }
    }

最好在 add 大量元素之前用 ensureCapacity 方法,以減少增量從新分配的次數(shù)

我們通過下面的代碼實(shí)際測試以下這個(gè)方法的效果:

public class EnsureCapacityTest {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList list = new ArrayList();
        final int N = 10000000;
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < N; i++) {
            list.add(i);
        }
        long endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("使用ensureCapacity方法前:"+(endTime - startTime));

        list = new ArrayList();
        long startTime1 = System.currentTimeMillis();
        list.ensureCapacity(N);
        for (int i = 0; i < N; i++) {
            list.add(i);
        }
        long endTime1 = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("使用ensureCapacity方法后:"+(endTime1 - startTime1));
    }
}

運(yùn)行結(jié)果:

使用ensureCapacity方法前:4637
使用ensureCapacity方法前:241

通過運(yùn)行結(jié)果,我們可以很明顯的看出向 ArrayList 添加大量元素之前最好先使用ensureCapacity 方法,以減少增量從新分配的次數(shù)

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