ArrayList自動擴容原理(底層實現)
探索ArrayList
ArrayList的列表物件實質上是儲存在一個引用型數組裡的,有人認為該陣列有“自動增長機制”可以自動改變size大小。正式地說,該陣列是無法改變 大小的,實際上它只是改變了該引用型陣列的指向而已。下面,讓我們來看看java是怎樣實現ArrayList類的。
一、ArrayList類的實質
- ArrayList底層採用Object型別的陣列實現,當使用不帶引數的構造方法生成ArrayList物件時, 實際上會在底層生成一個長度為10的Object型別陣列。
- 首先,ArrayList定義了一個私有的未被序列化的陣列elementData,用來儲存ArrayList的物件列表(注意只定義未初始):private transient Object[] elementData;
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其次,以指定初始容量(Capacity)或把指定的Collection轉換為引用型陣列後例項化elementData陣列;如果沒有指定,則預置初始容量為10進行例項化。把私有陣列預先例項化,然後通過copyOf方法覆蓋原陣列,是實現自動改變ArrayList的大小(size)的關鍵。ArrayList的構造方法原始碼如下:
//用指定的初始容量構造一個空列表。 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); } }
二、ArrayList實現自動改變size機制
為了實現這一機制,java引進了Capacity和size概念,以區別陣列的length。為了保證使用者增加新的列表物件,java設定了最小容量(minCapacity) ,通常情況上,它大於列表物件的數目,所以Capactiy雖然就是底層陣列的長度(length),但是對於終端使用者來講,它是無意義的。而size儲存著列表 物件的數量,才是終端使用者所需要的。為了防止使用者錯誤修改,這一屬性被設定為privae的,不過可以通過size()獲取。
下面,對ArrayList的初始以及其列表物件的增加和刪除等三種情況下的size自動改變機制進行分析
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初始Capacity和size值。 從上面給出的ArrayList構造方法原始碼中,我們不難看出Capacity初始值(initialCapacity)可以由使用者直接指定或由使用者指定的Collection集合存 儲的物件數目確定,如果沒有指定,系統預設為10。而size的被宣告為int型變數,預設為0,當用戶指定Collection建立ArrayList時,size值等於 initialCapacity。
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add()方法 該方法的原始碼如下:
public boolean add(E e) { ensureCapacityInternal(size + 1); elementData[size++] = e;//新增物件時,自增size return true; }
方法中呼叫的ensureCapacityInternal主要用來調整容量,修改elementData陣列的指向。其中涉及到3個方法的呼叫,其核心在於grow方法:
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) { modCount++;//定義於ArrayList的父類AbstractList,用於儲存結構修改次數 // overflow-conscious code if (minCapacity - elementData.length > 0) grow(minCapacity); } private void grow(int minCapacity) { // overflow-conscious code int oldCapacity = elementData.length; int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);//新容量擴大到原容量的1.5倍,右移一位相關於原數值除以2。 if (newCapacity - minCapacity < 0) newCapacity = minCapacity; 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;//MAX_ARRAY_SIZE和Integer.MAX_VALUE為常量,詳細請參閱下面的註解 }
通過以上程式碼,我們可知java自動增加ArrayList大小的思路是:向ArrayList新增物件時,原物件數目加1如果大於原底層陣列長度,則以適當長度新 建一個原陣列的拷貝,並修改原陣列,指向這個新建陣列。原陣列自動拋棄(java垃圾回收機制會自動回收)。size則在向陣列新增物件,自增1。
註解: //定義於該類的常量,用來分配陣列的size最大值。一些 VMs在數組裡保留字頭,試圖分配更大陣列時可能導致OutOfMemoryError:被請求陣列的 size超出VM界限。
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private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
//在java.lang.Integer類中常量MIN_VALUE、MAX_VALUE如下:
public static final int MIN_VALUE = 0x80000000;//整型取值區間下界:-2147483648
public static final int MAX_VALUE = 0x7fffffff;//整型取值區間上界:2147483647
//在java.util.AbstractList中modCount定義如下:
protected transient int modCount = 0;
3. remove()方法 該重構方法其一原始碼如下(其它的就不累述了):
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);//將後面的列表物件前移
elementData[--size] = null; // 陣列前移一位,size自減,空出來的位置置null,具體的物件的銷燬由Junk收集器負責
return oldValue;
}
private void rangeCheck(int index) {//邊界檢查
if (index < 0 || index >= this.size)
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
E elementData(int index) {//獲取指定index所在位置的物件
return (E) elementData[index];
}
通過remove()原始碼的學習,我們不難看出,其改變ArrayList大小的核心與add()方法相似,都是同陣列拷貝。 另外,如果確有必要,使用者也可以指定ArrayList例項的容量,可以有效的降低時間成本。它是通過呼叫ensureCapacityInternal來實現的,原始碼 如下:
public void ensureCapacity(int minCapacity) {
if (minCapacity > 0)
ensureCapacityInternal(minCapacity);
}
因為size為private的,java給出方法來訪問它:
public int size() {
checkForComodification();
return this.size;
}
綜上所述,在使用者向ArrayList追加物件時,Java總是要先計算容量(Capacity)是否適當,若容量不足則把原陣列拷貝到以指定容量為長度建立的 新陣列內,並對原陣列變數重新賦值,指向新陣列。在這同時,size進行自增1。在刪除物件時,先使用拷貝方法把指定index後面的物件前移1位(如果 有的話),然後把空出來的位置置null,交給Junk收集器銷燬,size自減1。