淺談 ArrayList 及其擴容機制
淺談ArrayList
ArrayList類又稱動態陣列，同時實現了Collection和List介面，其內部資料結構由陣列實現，因此可對容器內元素實現快速隨機訪問。但因為ArrayList中插入或刪除一個元素需要移動其他元素，所以不適合在插入和刪除操作頻繁的場景下使用。
ArrayList的容量可以隨著元素的增加而自動增加，因此不用擔心ArrayList容量不足的問題。
ArrayList是非執行緒安全的。
接下來，我們將解析ArrayList的構造方法，在看構造方法之前，我們先來明確一下ArrayList原始碼中的一些概念。這些變數和物件大家先記住就好了，後面會看到它們的用途。
// 預設的容量大小（常量）
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
// 定義的空陣列（final修飾，大小固定為0）
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
// 定義的預設空容量的陣列（final修飾，大小固定為0）
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
// 定義的不可被序列化的陣列，實際儲存元素的陣列
transient Object[] elementData;
// 陣列中元素的個數
ArrayList有三種構造方法:
1.無參的構造方法
2.根據傳入的數值大小，建立指定長度的陣列
3.通過傳入Collection元素列表進行生成
1.無參的構造方法
// 無參的構造方法
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
可以看出來，當我們直接建立ArrayList時，elementData被賦予了預設空容量的陣列。注意，因為預設空容量陣列是被final修飾的，此時ArrayList陣列是空的、固定長度的
2.根據傳入的數值大小，建立指定長度的陣列
// 傳容量的構造方法
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);
}
}
當initialCapacity > 0時，會在堆上new一個大小為initialCapacity的陣列，然後將其引用賦給elementData，此時ArrayList的容量為initialCapacity，元素個數size為預設值0。
當initialCapacity = 0時，elementData被賦予了預設空陣列，因為其被final修飾了，所以此時ArrayList的容量為0，元素個數size為預設值0。
當initialCapacity < 0時，會丟擲異常。
3.通過傳入Collection元素列表進行生成
// 傳入Collection元素列表的構造方法
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
// 將列表轉化為對應的陣列
elementData = c.toArray();
if ((size = elementData.length) != 0) {
// 此處見下面詳細解析
if (elementData.getClass() != Object[].class)
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
} else {
// 賦予空陣列
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}
}
傳入Collection元素列表後，構造方法首先會將其轉化為陣列，將其索引賦給elementData。如果此陣列的長度為0，會重新賦予elementData為空陣列，此時ArrayList的容量是0，元素個數size為0。
如果陣列的長度不為0，會跟新size的大小為其長度，也就是元素的個數，然後執行裡面的程式。大家對裡面的程式碼可能不理解，讓我們等會看下面解析。執行完後此時ArrayList的容量為傳入序列的長度，也就是size的大小，同時元素個數也為size，也就是說，此時ArrayList是滿的。
讓我們來看看下面的程式碼，然後再去理解上面 if 語句的程式碼：
public class Test {
public static void main(String[] args) {
// 1.建立Student物件陣列
Student[] students = new Student[] {
new Student("小明", 18),
new Student("小李", 19),
new Student("小張", 21)
};
// 2.將其賦值給Object物件陣列
Object[] objects = students;
// 3.執行if語句前，列印陣列的class
System.out.println("執行前：" + objects.getClass());
// 4.執行上面的程式碼
if (objects.getClass() != Object[].class) {
objects = Arrays.copyOf(objects, objects.length, Object[].class);
}
// 5.執行if語句後，列印陣列的class
System.out.println("執行後：" + objects.getClass());
}
}
程式的執行結果如下：
可以看到，物件陣列也是有.class的，其中含有所儲存元素的型別，而上面的那段程式碼的作用就是將原物件陣列的陣列型別轉化為Object物件陣列的陣列型別，以便更好的儲存。
ArrayList的擴容機制
當我們探討擴容時，肯定要從ArrayList的add方法走起，讓我們來看看吧。
public boolean add(E e) {
modCount++;
add(e, elementData, size);
return true;
}
這是最基本的add方法，當然，也是可以來說明問題的。可以看到，此add方法的引數就是一個被加元素，moCount是記錄ArrayList被修改的次數的，可以不用管。然後是另一個add方法，所傳的值是被加元素、當前陣列和當前陣列的元素個數，讓我們來看看這個add方法吧。
private void add(E e, Object[] elementData, int s) {
// 判斷元素個數是否等於當前容量
if (s == elementData.length)
elementData = grow();
elementData[s] = e;
size = s + 1;
}
首先，它判斷了元素個數是否等於當前的容量，也就是判斷當前陣列空間是不是滿的，如果二者相等，則當前空間是滿的，就需要擴容了，grow函式就是擴容函式了，擴容後再將被加元素加到陣列中。
下面我們來看看grow函式是什麼樣子的：
private Object[] grow() {
return grow(size + 1);
}
它裡面呼叫了一個帶參的grow函式，引數是當前元素個數+1，也就是當前容量+1。返回的是這個函式的返回值，讓我們進一步研究。
private Object[] grow(int minCapacity) {
// 獲取老容量，也就是當前容量
int oldCapacity = elementData.length;
// 如果當前容量大於0 或者 陣列不是DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
if (oldCapacity > 0 || elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
int newCapacity = ArraysSupport.newLength(oldCapacity,
minCapacity - oldCapacity, /* minimum growth */
oldCapacity >> 1 /* preferred growth */);
return elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
// 如果是 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA，建立新陣列
} else {
return elementData = new Object[Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity)];
}
}
首先，它是記錄了一下老容量的大小，然後再進行下面的操作。
如果當前容量大於0，或者當前陣列不是DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA，前面說明過，DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA是一個空的長度固定為0的陣列，在三個構造方法中，只有無參構造方法中elementData被賦予了DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA。也就是說，這個if語句中不會處理用預設無參構造方法建立的陣列的初始擴容情況，那麼其餘的情況都是由此if語句來處理的。
我們來看一下if裡面的操作，先建立一個新的陣列，然後將舊陣列拷貝到新陣列並賦給elementData返回。ArraysSupport.newLength函式的作用是建立一個大小為oldCapacity+max（minimum growth， preferred growth）的陣列。minCapacity是傳入的引數，我們上面看過，它的值是當前容量（老容量）+1，那麼minCapacity - oldCapacity的值恆為1，minimum growth的值恆為1；oldCapacity >> 1的功能是將oldCapacity 進行位操作，右移一位，也就是減半，preferred growth的值為oldCapacity 的一半。
當oldCapacity 為0時，右移後還是0，也就是說此時擴容的大小為0+max（1,0）=1，容量從0擴充套件到1，那麼什麼時候是這種情況呢？當傳容量的構造方法傳入的是0時，elementData被賦予的是EMPTY_ELEMENTDATA，陣列容量為0，此時新增元素時，符合if的條件，會進入此擴容情況，容量從0擴充套件到1。當傳Collection元素列表的構造方法被傳入空列表時，elementData被賦予的是EMPTY_ELEMENTDATA，陣列容量為0，此時新增元素時，符合if的條件，會進入此擴容情況，容量從0擴充套件到1。
當oldCapacity 大於0時，新建立的陣列大小是老容量+老容量的一半，也就是老容量的1.5倍，每次擴容到原來的1.5倍。
if之外就剩一種情況了，也就是用預設無參構造方法建立的陣列的初始擴容情況。此時的容量為0，新增一個元素時會建立一個新的陣列，其大小為max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity)，我們從上面的原始碼變數資訊中可得知DEFAULT_CAPACITY的值為10，而minCapacity的值為1，所以新增一個元素時，max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity)的值必為10。也就是說，當我們用預設無參構造方法建立的陣列在新增元素前，ArrayList的容量為0，新增一個元素後，ArrayList的容量為10。
總結一下
ArrayList的特點：
1.ArrayList的底層資料結構是陣列，所以查詢遍歷快，增刪慢。
2.ArrayList可隨著元素的增長而自動擴容，正常擴容的話，每次擴容到原來的1.5倍。
3.ArrayList的執行緒是不安全的。
ArrayList的擴容：
在兩種情況下需要擴容：
第一種情況，當ArrayList的容量為0時，此時新增元素的話，需要擴容。什麼時候容量可能為0呢？當然是剛被建立的時候，三種構造方法建立的ArrayList在擴容時略有不同：
（1）無參構造，建立ArrayList後容量為0，新增第一個元素後，容量變為10，此後若需要擴容，則正常擴容。
（2）傳容量構造，當引數為0時，建立ArrayList後容量為0，新增第一個元素後，容量為1，此時ArrayList是滿的，下次新增元素時需正常擴容。
（3）傳列表構造，當列表為空時，建立ArrayList後容量為0，新增第一個元素後，容量為1，此時ArrayList是滿的，下次新增元素時需正常擴容。
第二種情況，當ArrayList的容量大於0時，此時新增元素若需要擴容的話，正常擴容，每次擴容到原來的1.5倍。