ArrayList扩容机制分析

1.ArrayList 简介

ArrayList 的底层是数组队列，相当于动态数组。与 Java 中的数组相比，它的容量能动态增长。在添加大量元素前，应用程序可以使用ensureCapacity操作来增加 ArrayList 实例的容量。这可以减少递增式再分配的数量。
ArrayList继承于 AbstractList ，实现了 List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable 这些接口。

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable{
    

}

• RandomAccess 是一个标志接口，表明实现这个这个接口的 List 集合是支持快速随机访问的。在 ArrayList 中，我们即可以通过元素的序号快速获取元素对象，这就是快速随机访问。
• ArrayList 实现了 Cloneable 接口 ，即覆盖了函数clone()，能被克隆。
• ArrayList 实现了 java.io.Serializable接口，这意味着ArrayList支持序列化，能通过序列化去传输。

1.1 Arraylist 和 Vector 的区别?

• ArrayList 是 List 的主要实现类，底层使用 Object[ ]存储，适用于频繁的查找工作，线程不安全 ；
• Vector 是 List 的古老实现类，底层使用 Object[ ]存储，线程安全的。

1.2 Arraylist 与 LinkedList 区别?

• 是否保证线程安全： ArrayList和LinkedList 都是不同步的也就是线程不安全的。
• 底层数据结构： ArrayList使用的是Object数组，LinkList底层使用的是双向链表数据结构（jdk1.6之前使用的是循环双向链表，JDK1.7 取消了循环。）。
• 插入和删除是否受元素位置影响： ①**ArrayList采用数组存储，**所以插入和删除受元素位置影响，比如:执行add(E e) 方法的时候，ArrayList 会默认在将指定的元素追加到此列表的末尾，这种情况时间复杂度就是 O(1)。但是如果要在指定位置 i 插入和删除元素的话（add(int index, E element)）时间复杂度就为 O(n-i)。因为在进行上述操作的时候集合中第i个元素之后的(n-i)个元素都要执行向后位/向前移一位的操作。② LinkedList 采用链表存储，所以对于add(E e)方法的插入，删除元素时间复杂度不受元素位置的影响，近似 O(1)，如果是要在指定位置i插入和删除元素的话（(add(int index, E element)） 时间复杂度近似为o(n))因为需要先移动到指定位置再插入。
• 是否支持快速随机访问： LinkedList 不支持高效的随机元素访问，而 ArrayList 支持。快速随机访问就是通过元素的序号快速获取元素对象(对应于get(int index)方法)。
• 内存空间占用： ArrayList 的空 间浪费主要体现在在 list 列表的结尾会预留一定的容量空间，而 LinkedList 的空间花费则体现在它的每一个元素都需要消耗比 ArrayList 更多的空间（因为要存放直接后继和直接前驱以及数据）。

2. ArrayList 扩容机制分析

2.1 先从 ArrayList 的构造函数说起

先从 ArrayList 的构造函数说起
（JDK8）ArrayList 有三种方式来初始化，构造方法源码如下：

 /** * Default initial capacity. * 默认初始容量大小 */
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
    /** * 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. */
    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {
    };
/** * Constructs an empty list with an initial capacity of ten. * 默认构造函数，使用初始容量10构造一个空列表(无参数构造) */
    public ArrayList() {
    
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
    /** * Constructs an empty list with the specified initial capacity. * 带初始容量参数的构造函数。（用户自己指定容量） * @param initialCapacity the initial capacity of the list * @throws IllegalArgumentException if the specified initial capacity * is negative */
    public ArrayList(int initialCapacity) {
    
        if (initialCapacity > 0) {
    
            //创建initialCapacity大小的数组
            this.elementData = new Object[initialCapacity];
        } else if (initialCapacity == 0) {
    
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        } else {
    
            throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                               initialCapacity);
        }
    }
    /** * Constructs a list containing the elements of the specified * collection, in the order they are returned by the collection's * iterator. *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) {
    
        Object[] a = c.toArray();
        if ((size = a.length) != 0) {
    
            if (c.getClass() == ArrayList.class) {
    
                elementData = a;
            } else {
    
                elementData = Arrays.copyOf(a, size, Object[].class);
            }
        } else {
    
            // replace with empty array.
            elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        }
    }

JDK6 new 无参构造的 ArrayList 对象时，直接创建了长度是 10 的 Object[] 数组 elementData 。

2.2 以无参构造函数创建的 ArrayList 为例分析

2.2.1 先来看 add 方法

    /** * 将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，先调用ensureCapacityInternal方法
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        //这里看到ArrayList添加元素的实质就相当于为数组赋值
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }

注意 ：JDK11 移除了 ensureCapacityInternal() 和 ensureExplicitCapacity() 方法

2.2.2 再来看看 ensureCapacityInternal() 方法

    private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    
        ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
    }
    //计算得到最小扩容量
    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;
    }
    //看是否需要扩容
    private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    
        modCount++;

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

我们来仔细分析一下：
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() 方法然后继续调用ensureExplicitCapacity()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 elementData.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。

2.2.3 grow() 方法

private void grow(int minCapacity) {
    
        // overflow-conscious code
        //oldCapacity为旧容量，newCapacity为新容量
        int oldCapacity = elementData.length;
        // 将oldCapacity 右移一位，其效果相当于oldCapacity /2，
        //我们知道位运算的速度远远快于整除运算，整句运算式的结果就是将新容量更新为旧容量的1.5倍，
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        // 然后检查新容量是否大于最小需要容量，若还是小于最小需要容量，那么就把最小需要容量当作数组的新容量，
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            newCapacity = minCapacity;
         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`。
        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 每次扩容之后容量都会变为原来的 1.5 倍左右（oldCapacity 为偶数就是 1.5 倍，否则是 1.5 倍左右）！ 奇偶不同，比如 ：10+10/2 = 15, 33+33/2=49。如果是奇数的话会丢掉小数.
我们再来通过例子探究一下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······

2.2.4 hugeCapacity() 方法。

从上面 grow() 方法源码我们知道： 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。

    private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
    
        if (minCapacity < 0) // overflow
            throw new OutOfMemoryError();
        //对minCapacity和MAX_ARRAY_SIZE进行比较
        //若minCapacity大，将Integer.MAX_VALUE作为新数组的大小
        //若MAX_ARRAY_SIZE大，将MAX_ARRAY_SIZE作为新数组的大小
        //MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
        return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
            Integer.MAX_VALUE :
            MAX_ARRAY_SIZE;
    }

若有错误，希望大佬指出。
对你有帮助给点个再走呗。