六千字详解！一篇看懂 ArrayList 的扩容机制（完整源码解析）

☀️今天花了很久写了这篇关于 ArrayList 扩容机制源码解析的博客，在阅读源码的过程中发现了很多之前有误解的地方，也加深了对代码的理解，所以写下了这篇博客。
🎶本文附带了流程中所有的代码和附加解析，我有信心一定能帮大家完整的梳理和认识整个流程，如果博客对你有帮助的话别忘了留下你的点赞和关注💖💖💖

文章目录

- - ArrayList 底层结构和源码分析
  - - 01.整体把握
    - 02.无参构造方法
    - 03.有参构造方法
    - 04.底层扩容机制

ArrayList 底层结构和源码分析

01.整体把握

这里首先列出 ArrayList 扩容的几个特点，看完这些特点再去阅读体验会比较好

1）ArrayList 中维护了一个 Object 类型的数组，elementData。

2）当每次创建 ArrayList 对象的时候，如果使用的是无参构造器，则初始的 elementData 的容量为 0，第一次添加的时候则扩容 elementData 为 10，如果需要再次扩容，则扩容为原来的 1.5 倍

3）如果使用的是指定大小的构造器，则初始的 elementData 的容量就是指定的大小，如果需要扩容，也是直接扩容为 elementData 的 1.5 倍。

02.无参构造方法

下面来看具体的源码，首先就是 ArrayList 的无参构造方法：

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

解析：可以看到，它将 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 赋值给了 elementData；ArrayList 的内部实现就是基于这个 elementData 数组，它是 ArrayList 存放元素的位置，之后的拿取、扩容之类的操作本质上都是在操纵它。

DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 是一个常量，来看一下它的定义：

	/**
     * 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 = {};

这是一个共享的（static）空数组实例，被用作使用 默认无参构造方法 时，elementData 的默认值；它的作用是与另一个共享的空数组实例来做区分，那另一个共享数组为 EMPTY_ELEMENTDATA，它在接下来要讲的 有参构造方法 中具有很重要的作用；简单来说 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 是标识着通过无参构造形成的空 ArrayList，而 EMPTY_ELEMENTDATA 是通过有参构造形成的空 ArrayList，它们在后续的扩容策略中会有所不同。

除了这个标志作用以外，它们的作用都是相同的，都是在内存中开辟了一个共享空间用来存放空数组，可以避免过早的为新创建的 ArrayList 实例分配内存，达到节省内存的作用。

03.有参构造方法

1）先观察 ArrayList 的有参构造方法，ArrayList 其实提供了两种有参构造方法，通过 CTRL + P 快捷键，可以查看其中的参数：

在这里插入图片描述

可以看到有参构造的第一种方式就是提供一个 int 类型的 initialCapacity，也就是初始的容量；第二种方法是提供一个集合类，构造方法会将这个集合类转为 ArrayList 的类型。

先来看指定初始容量的构造方法，这里插嘴一句，如果大家用的 idea 版本是新版的，可以多去使用那个 SmartStepInto，是调试器提供的一个智能步入的方式，可以智能的跳过一些不必要的步骤；说回到这个有参构造方法

    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);
        }
    }

如果指定的初始容量大于零，就直接构造一个容量为初始容量的 Object 数组，然后将其赋值给 elementData；否则，当初始的容量等于 0 的时候，就指定其为 EMPTY_ELEMENTDATA！这里就能看出与无参构造的区别了；如果是其他的数字，比如负数，就抛出一个异常。

2）再来看给定 Collection 的构造方法：

    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;
        }
    }

解析：首先通过 Collction 接口中定义的 toArray() 方法，将集合类转为一个数组，然后指定 size（当前 ArrayList 实例中存放元素的个数）赋值成数组的长度，然后判断这个长度是否为 0，如果不为 0 就将其赋值给 elementData。

但是关于第二个 else 我其实是有些疑惑的，我猜测写这段 else 逻辑 elementData = Arrays.copyOf(a, size, Object[].class); 是为了保证 ArrayList 中始终维护的是一个 Object 数组，但是其实第一个语句 Object[] a = c.toArray(); 已经确定了这是 Object 数组，所以单从这里看其实是有些冗余的，如果大家有什么见解可以在评论区指教一下。

如果长度为 0 的话，就将 elementData 赋值为 EMPTY_ELEMENTDATA，所以这个 static 属性其实就是标识有参构造方法形成的空 elementData 数组。

04.底层扩容机制

终于到了重中之重的扩容机制，也是面试题中经常会问到的部分，直接来追一下源代码：

	/**
     * 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;
    }

add 的代码其实比较简单，首先就是调用了 ensureCapacityInternal() 来保证存储空间（elementData）足够放下这个新的元素，然后再将元素放入其中：elementData[size++] = e;，那接下来要看什么呢？不用多说，肯定是这个 ensureCapacityInternal() 方法。

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

在这个方法中，首先是使用了 calculateCapacity(elementData, minCapacity) 方法去计算容量，这个 minCapacity 是上面传过来的，不管是上面的有参构造还是无参构造，最终形成的 ArrayList 实例的长度都是 0，所以此时的 minCapacity 就是 1。

下面的是 calculateCapacity() 方法

    private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
            return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }
        return minCapacity;
    }

首先看第一个 if 语句 if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)，先去判断了这个 elementData 是否为 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA，那什么时候会是这个元素呢？答案就是 无参默认构造方法 创建的实例，这时候就发挥它的作用了，当发现 ArrayList 实例是通过无参构造形成的，就会去取 minCapacity 和 DEFAULT_CAPACITY 中的最小值，而 DEFAULT_CAPACITY 它的值就是 10，这也就是为什么很多面试题的答案说，首先创造空数组，然后第一次扩容的时候扩容成 10；但这并不是完全正确的，当不是无参构造的时候，其实此时的 minCapacity 仍然是 1。

OK，得到了 minCapacity，我们回到上一个方法：

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

然后就是取执行 ensureExplicitCapacity() 方法了：

	private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        modCount++;

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

首先是对这个 modCount 做了一个自增，这个变量记录了这个集合扩容的次数，然后去判断 minCapacity - elementData.length > 0 也就是最小需要的长度能否通过当前的 elementData 长度满足，如果不能就进入扩容方法 grow()，并且传入 minCapacity。

private void grow(int minCapacity) {
        // overflow-conscious code
        int oldCapacity = elementData.length;
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        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);
    }

首先记录下 oldCapacity，也就是扩容之前 elementData 的长度，然后执行这条语句 newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);，使用了右移运算符，右移运算符其实就可以看作除以 2 的操作，然后再加上原本的 oldCapacity，最终就是原本长度的 1.5 倍，但是因为是最后将其转换为了 int，所以其扩容效果是 小于等于 1.5 倍的；然后后面就是将此时的 minCapacity 和这个由原本长度拓展 1.5 倍的长度做一个对比，取最大，后一个 if 语句是为了处理扩容过限的问题，代码比较容易，最后贴给大家看一下。

最终就是调用 Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); 将原本 elementData 中的内容移动到新拓展的，长度为 newCapacity 的数组中，这就完成了一个完整的扩容。

此时如果是无参构造，它带进来的 minCapacity 就是 10，最终其会被拓展为 10
如果是有参构造的话，带进来的 minCapacity 其实就是 1，且计算得 int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); 结果是 0，那最终 elementData 会被拓展成 1。

所以说第一次拓展均拓展成 10 其实是不准确的；其他长度的拓展大家顺着流程推导一下就很容易得到了。

最后贴上 hugeCapacity() 方法的源码：

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

这个方法是为了处理 newCapacity 的长度超过定义的数组的最大长度（MAX_ARRAY_SIZE，它被定义为 Integer.MAX_VALUE - 8），此时就使用 minCapcaity 进行初始化，如果发现 minCapacity < 0，就大概率是因为越界导致的了，因为当 int 超过 2³¹ - 1 的时候，就会因为错位变成负数，所以此时抛出 OutOfMemoryError 超过内存限制错误，然后判断此时的 minCapacity 是否大于 MAX_ARRAY_SIZE，如果不大于就赋值成它，否则赋值成 Integer.MAX_VALUE，也就是 int 的最大值，如果还是不够会在后面因为越界抛出异常的。