从源码层面理解 ArrayList 扩容策略

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发布于: 2021 年 01 月 06 日

ArrayList 在我们日常开发中用到的非常多，我们知道 ArrayList 内部是通过 Object 数组实现的，而数组的长度一经定义，就无法更改了。

那么问题就来了，ArrayList 是如何实现扩容的呢？

我们先来看看 ArrayList 类中有哪些成员变量。

ArrayList 的成员变量

/** * Default initial capacity. * 默认的初始容量10。 */private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
/** * Shared empty array instance used for empty instances. * 共享的空数组实例，用于空实例。 */private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/** * Shared empty array instance used for default sized empty instances. We * distinguish this from EMPTY_ELEMENTDATA to know how much to inflate when * first element is added. * * 共享的空数组实例，用于默认大小的空实例。 * 我们区分 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 和 EMPTY_ELEMENTDATA  * 为了知道添加第一个元素时要扩容多少。 */private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/** * The array buffer into which the elements of the ArrayList are stored. * The capacity of the ArrayList is the length of this array buffer. Any * empty ArrayList with elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA * will be expanded to DEFAULT_CAPACITY when the first element is added. * * Object[] 用于实际存储 ArrayList 的元素。ArrayList 的容量是数组的长度。 * 当添加第一个元素的时候，任何空的ArrayList（elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA） * 容量将被增加到DEFAULT_CAPACITY。 */transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
/** * The size of the ArrayList (the number of elements it contains). * ArrayList 的大小（ArrayList 中包含的元素个数） * @serial */private int size;

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问题一：ArrayList 中的 size 和 capacity 怎么理解？

size 用于记录 ArrayList 实例中 elementData 数组中元素的个数，capacity 是 elementData 数组的长度（包括已使用的数组空间和未使用的数组空间）。如果被 ArrayList 看作一个喝水的杯子的话，capacity 就是杯子的容积，也就是代表了杯子能装多少水，size 就是杯子已经装的水的体积。杯子可能装满了水也可能没装满。

要想使用一个类，首先要创建这个类的实例，那么接下来我们看看 ArrayList 有哪些构造方法，这是我们比较关心的。

ArrayList 的构造方法

1、无参构造方法

注释上说，构造一个初始容量为 10 的空列表。实际上，Java8 中使用了延迟初始化，使用无参构造方法，并不会马上创建长度为 10 的数组，而是在调用 add 方法添加第一个元素的时候才对 elementData 数组进行初始化（后面会看到）。

/** * Constructs an empty list with an initial capacity of ten. */public ArrayList() {    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;}

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2、指定初始容量的构造方法

传入初始容量 initialCapacity，如果初始容量大于 0，那么直接创建一个指定大小的 Object 数组；如果初始容量等于 0，elementData 指向共享的空数组实例 EMPTY_ELEMENTDATA。如果初始容量小于 0，抛出 IllegalArgumentException 异常。

/** * Constructs an empty list with the specified initial capacity. * * @param  initialCapacity  the initial capacity of the list * @throws IllegalArgumentException if the specified initial capacity *         is negative */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);    }}

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3、指定初始集合的构造方法

/** * Constructs a list containing the elements of the specified * collection, in the order they are returned by the collection's * iterator. * * @param c the collection whose elements are to be placed into this list * @throws NullPointerException if the specified collection is null */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;    }}

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问题二：ArrayList 源码中为何定义两个 Object 数组呢？EMPTYELEMENTDATA 和 DEFAULTCAPACITYEMPTY_ELEMENTDATA 各有什么用处？

从以上源码中可以看出，这两个常量都是空 Object 数组的引用，都表示 ArrayList 实例的空状态，即 elementData 数组中没有元素。EMPTYELEMENTDATA 是使用指定初始容量的构造方法 ArrayList(int initialCapacity)（初始容量大小为 0）和指定初始集合的构造方法 ArrayList(Collection<? extends E> c)（初始集合大小为 0）时使用。DEFAULTCAPACITYEMPTY_ELEMENTDATA 是使用无参构造方法时使用的。

构造方法也有了，接下来我们看看如何向 ArrayList 容器中添加一个元素。

添加元素

/** * 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;}

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add 方法向 ArrayList 中添加 1 个元素，为了确保 ArrayList 内部数组容量，add 方法内部首先调用 ensureCapacityInternal 方法，入参 minCapacity 为 ArrayList 包含的实际元素个数 size + 1。

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {    ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));}

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ensureCapacityInternal 内部调用 calculateCapacity 方法来计算容量，如果 ArrayList 是通过无参构造方法进行创建的，那么满足下面 if 条件（elementData == DEFAULTCAPACITYEMPTYELEMENTDATA），如果是添加第一个元素，则 minCapacity 为 1，则数组扩容到 DEFAULT_CAPACITY 大小为 10，这也对应了无参构造方法的注释 Constructs an empty list with an initial capacity of ten 。

private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {        // 如果是空ArrayList，则容量为 DEFAULT_CAPACITY 和 minCapacity 的最大值        return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);    }    return minCapacity;}

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笔者当时读到 Math.max(DEFAULTCAPACITY, minCapacity); 这行代码的时候有点小小的困惑，既然 elementData == DEFAULTCAPACITYEMPTYELEMENTDATA 说明当前的 ArrayList 是空的，那么直接返回 DEFAULTCAPACITY 值不就行了么，为啥还要比较呢。直到后来发现了 addAll(Collection<? extends E> c) 这个方法，addAll 方法可以一次向 ArrayList 中添加多个元素，新增加的元素个数可能大于 DEFAULTCAPACITY ，为了减少扩容次数，应该取 DEFAULTCAPACITY 和 minCapacity 的最大值。

minCapacity 等于 ArrayList 当前实际元素个数 size + 新增的元素个数，minCapacity 是扩容后 Object 数组的最小长度。

ensureExplicitCapacity 方法确保 ArrayList 有足够的容量存放新的元素。

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {    modCount++;
    // overflow-conscious code    if (minCapacity - elementData.length > 0)        grow(minCapacity);}

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容量不够的话，会调用 grow 方法进行扩容操作。

扩容操作

/** * The maximum size of array to allocate. * Some VMs reserve some header words in an array. * Attempts to allocate larger arrays may result in * OutOfMemoryError: Requested array size exceeds VM limit */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 */private void grow(int minCapacity) {    // overflow-conscious code    int oldCapacity = elementData.length;    // 新容量扩大到原容量的1.5倍    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);    if (newCapacity - minCapacity < 0)        // 如果新容量还是比所需的最小容量小，则让新容量等于所需的最小容量        newCapacity = minCapacity;    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)        // 如果新容量超过了Integer.MAX_VALUE - 8，继续计算        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);    // minCapacity is usually close to size, so this is a win:    // 所需的最小容量minCapacity 接近size    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);}

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扩容计算，int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); oldCapacity 是 ArrayList 内部数组长度，oldCapacity >> 1 是位运算的右移操作，右移一位相当于除以 2，新的容量 newCapacity 为之前容量的 1.5 倍。

elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); 对 elementData 数组进行扩容。

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

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问题三：ArrayList 扩容每次都是原容量的 1.5 倍吗？

从源码中可以看出，当使用无参构造方法创建一个 ArrayList 实例，调用 add 方法添加第一个元素的时候，calculateCapacity 方法返回的是默认初始容量 DEFAULTCAPACITY 大小为 10；当使用指定初始容量创建 ArrayList 实例，调用 addAll 方法添加多个元素的时候，原容量的 1.5 倍也无法存放元素的时候，会创建一个更大（不会超过 Integer.MAXVALUE）的数组来存放元素。

问题四：ArrayList 的 add 操作如何优化？

扩容需要移动数据，非常影响性能。那么优化的重点就是尽量避免 ArrayList 内部进行内部扩容。对于 add 操作，如果添加的元素个数已知，最好使用指定初始容量的构造方法创建 ArrayList 实例或者在添加元素之前执行 ensureCapacity 方法确保有足够的容量来存放 add 操作的元素。