解析从源码分析常见的基于Array的数据结构动态扩容机制的详解

什么是动态扩容机制

动态扩容机制是指，当一个数据结构达到其容量限制时，自动增加容量大小以继续存储新的数据。在动态扩容时，需要考虑到时间和空间的平衡，因为扩容需要分配新的内存空间，在处理大量数据时，需要尽可能减少空间浪费和分配内存的时间消耗。

基于Array的数据结构

Array是一种连续存储的数据结构，可以通过数组下标来访问数据。基于Array的数据结构通常会预先分配一段连续的内存空间作为存储空间，这段空间的大小是有限制的，达到这个限制后需要进行动态扩容。

常见的基于Array的数据结构

常见的基于Array的数据结构包括ArrayList、Deque和Queue等。

示例1：ArrayList

ArrayList是Java中常用的数据结构之一，它是基于Array实现的一种动态数组。当ArrayList中元素的数量超过数组容量限制时，就需要对其进行动态扩容。

在Java中，ArrayList内部维护了一个通过数组实现的elementData数组，当元素的数量超过了数组长度时，需要进行扩容，扩容的实现如下：

/**
 * 扩容方法
 * newCapacity 扩展空间的大小
 */
private void grow(int newCapacity) {
        // 当前容量
        int oldCapacity = elementData.length;
        // 扩容后数量
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        // 如果扩容后元素数量超出容量限制则直接使用Integer.MAX_VALUE为新大小
        if (newCapacity - minCapacity < 0) {
            newCapacity = minCapacity;
        }
        // 复制元素
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

可以看到，在ArrayList中，扩容时，首先会将旧数组的长度增加50%，然后再根据minCapacity设置扩容后的新长度，如果minCapacity的值小于新长度，则直接将新长度设置为Integer.MAX_VALUE。

示例2：Deque和Queue

Deque是双端队列的一种实现，Queue是队列的一种实现，它们是通过Array实现的。

在Java中，ArrayDeque是Deque的一种实现方式，它的底层是一个循环数组，当数组的大小不足以容纳新的元素时，ArrayDeque采用双倍大小动态扩容机制进行扩容，其扩容实现如下：

/**
 * 扩容方法
 */
private void doubleCapacity() {
    int addCapacity;
    if (head < tail) {
        addCapacity = elements.length;
    } else {
        // 头尾都是指向数组的开头，数组末尾有空闲位置，这种情况下扩容元素个数是elements.length - head
        // 头尾相对位置不变，数组末尾无空余位置，这种情况下扩容元素个数是elements.length - head + tail
        addCapacity = elements.length - head + tail;
    }

    // 根据原始数组大小和新增元素个数，计算出新的数组大小
    int newCapacity = elements.length << 1;
    if (newCapacity < 0) {
        throw new IllegalStateException("Sorry, deque too big");
    }
    Object[] newElements = new Object[newCapacity];
    // 复制旧的数组，并修正新数组的起始位置
    System.arraycopy(elements, head, newElements, 0, addCapacity);
    System.arraycopy(elements, 0, newElements, addCapacity, tail);
    elements = newElements;
    // 重置头部和尾部的位置
    head = 0;
    tail = addCapacity;
}

可以看到，在Deque和Queue实现中，扩容时，首先会判断表头和表尾对应的元素位置，然后计算出新数组的长度，并将旧的数据复制到新的数组中。最后，将队列的头部和尾部指针指向新的数组的头尾位置。

结语

基于Array的数据结构的动态扩容机制可以提高数据结构的效率和容量，但扩容时需要考虑到时间和空间的平衡，避免浪费内存和增加内存消耗。通常，动态扩容机制都是内部实现，我们只需要了解其原理和实现过程即可。