探索ArrayList自动改变size真相

ArrayList的列表对象实质上是存储在一个引用型数组里的,有人认为该数组有“自动增长机制”可以自动改变size大小。正式地说,该数组是无法改变

大小的,实际上它只是改变了该引用型数组的指向而已。下面,让我们来看看java是怎样实现ArrayList类的。

一、ArrayList类的实质

ArrayList底层采用Object类型的数组实现,当使用不带参数的构造方法生成ArrayList对象时,
实际上会在底层生成一个长度为10的Object类型数组。

首先,ArrayList定义了一个私有的未被序列化的数组elementData,用来存储ArrayList的对象列表(注意只定义未初始):
  private transient Object[] elementData;
其次,以指定初始容量(Capacity)或把指定的Collection转换为引用型数组后实例化elementData数组;如果没有指定,则预置初始容量为10进行

实例化。把私有数组预先实例化,然后通过copyOf方法覆盖原数组,是实现自动改变ArrayList的大小(size)的关键。有人说ArrayList是复杂的数组,我

认为不如说ArrayList是关于数组的系统的方法组合。

  ArrayList的构造方法源码如下:

// 用指定的初始容量构造一个空列表。

   1:  public ArrayList(int initialCapacity) {
   2:     super();
   3:     if (initialCapacity < 0)
   4:     throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+initialCapacity);
   5:     this.elementData = new Object[initialCapacity];//属性指向新建长度为初始容量的临时数组
   6:  }

   1:  // 使用初始容量10构造一个空列表
   2:  public ArrayList() {
   3:    this(10);
   4:  } 
   5:   
   6:  / *构造包含利用collection的迭代器按顺序返回的指定collection元素的列表
   7:  * @param c 集合,它的元素被用来放入列表t
   8:  * @throws NullPointerException 如果指定集合为 null
   9:  */
  10:  public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
  11:    elementData = c.toArray();//用Collection初始化数组elementData
  12:    size = elementData.length;
  13:    if (elementData.getClass() != Object[].class)
  14:      elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
  15:  } 

二、ArrayList实现自动改变size机制

为了实现这一机制,java引进了Capacity和size概念,以区别数组的length。为了保证用户增加新的列表对象,java设置了最小容量(minCapacity)

,通常情况上,它大于列表对象的数目,所以Capactiy虽然就是底层数组的长度(length),但是对于最终用户来讲,它是无意义的。而size存储着列表

对象的数量,才是最终用户所需要的。为了防止用户错误修改,这一属性被设置为privae的,不过可以通过size()获取。

下面,对ArrayList的初始以及其列表对象的增加和删除等三种情况下的size自动改变机制进行分析。

1、初始Capacity和size值。

从上面给出的ArrayList构造方法源码中,我们不难看出Capacity初始值(initialCapacity)可以由用户直接指定或由用户指定的Collection集合存

储的对象数目确定,如果没有指定,系统默认为10。而size的被声明为int型变量,默认为0,当用户指定Collection创建ArrayList时,size值等于

initialCapacity。

2、add()方法

该方法的源码如下:

public boolean add(E e) {
ensureCapacityInternal(size + 1);
elementData[size++] = e;//添加对象时,自增size
return true;
}

方法中调用的ensureCapacityInternal主要用来调整容量,修改elementData数组的指向。其中涉及到3个方法的调用,其核心在于grow方法:
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
modCount++;//定义于ArrayList的父类AbstractList,用于存储结构修改次数
// 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);//新容量扩大到原容量的1.5倍,右移一位相关于原数值除以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为常量,详细请参阅下面的注解
}
通过以上代码,我们可知java自动增加ArrayList大小的思路是:向ArrayList添加对象时,原对象数目加1如果大于原底层数组长度,则以适当长度新

建一个原数组的拷贝,并修改原数组,指向这个新建数组。原数组自动抛弃(java垃圾回收机制会自动回收)。size则在向数组添加对象,自增1。

注解:

//定义于该类的常量,用来分配数组的size最大值。一些 VMs在数组里保留字头,试图分配更大数组时可能导致OutOfMemoryError:被请求数组的

size超出VM界限。
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

//在java.lang.Integer类中常量MIN_VALUE、MAX_VALUE如下:
public static final int  MIN_VALUE = 0x80000000;//整型取值区间下界:-2147483648
public static final int  MAX_VALUE = 0x7fffffff;//整型取值区间上界:2147483647

  //在java.util.AbstractList中modCount定义如下:
  protected transient int modCount = 0;

3、remove()方法

该重构方法其一源码如下(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);//将后面的列表对象前移
elementData[--size] = null; // 数组前移一位,size自减,空出来的位置置null,具体的对象的销毁由Junk收集器负责
return oldValue;
}

private void rangeCheck(int index) {//边界检查
if (index < 0 || index >= this.size)
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}

E elementData(int index) {//获取指定index所在位置的对象
return (E) elementData[index];
}

通过remove()源码的学习,我们不难看出,其改变ArrayList大小的核心与add()方法相似,都是同数组拷贝。

另外,如果确有必要,用户也可以指定ArrayList实例的容量,可以有效的降低时间成本。它是通过调用ensureCapacityInternal来实现的,源代码

如下:
public void ensureCapacity(int minCapacity) {
if (minCapacity > 0)
ensureCapacityInternal(minCapacity);
}

因为size为private的,java给出方法来访问它:
public int size() {
checkForComodification();
return this.size;
}

综上所述,在用户向ArrayList追加对象时,Java总是要先计算容量(Capacity)是否适当,若容量不足则把原数组拷贝到以指定容量为长度创建的

新数组内,并对原数组变量重新赋值,指向新数组。在这同时,size进行自增1。在删除对象时,先使用拷贝方法把指定index后面的对象前移1位(如果

有的话),然后把空出来的位置置null,交给Junk收集器销毁,size自减1,即完成了。

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