详解Java数组扩容缩容与拷贝的实现和原理

一. 数组内存分析(重点)

1. 简介

Java的内存，可以分为栈、堆、方法区、本地方法区、程序寄存器等几个核心部分。这一块的内容，以后会专门编写文章进行介绍，对于初学者来说，这还不适合我们学习。但是我们现在要先对以下三个概念有所了解：

栈： 栈中可以存储基本类型的数据和引用类型的地址。特点: 先进后出，一般空间比较小，存取速度较快。

堆： 堆中可以存储引用类型的数据。特点: 空间比较大，存储速度相对较慢。

方法区： 方法区中可以 存储字符串常量池、静态数据、代码和类的元数据。

我们知道，数组属于引用类型，而数组的引用变量(数组名称)只是一个地址引用。 这个引用变量可以指向任何有效的内存空间，只有当这个引用指向有效的空间时，才可以通过引用去操作数组中真正的数据元素。所以数组的引用变量(数组名称)是存储在栈空间中，但真正的数组数据是存储在堆空间中。

2. 代码案例

为了让大家更好地理解数组的内存结构，接下来给大家设计一个代码案例，然后给大家分析一下这个数组的内存结构。

/**
 * @author
 */
public class Demo01 {
    public static void main(String[] args) {
	//使用静态初始化的方式初始化一个数组a
        //a存放在栈中，a的值是数组的地址，数组的真正数据{5,7,20}存放在堆中
        int[] a = {5,7,20}; 
        System.out.println("a的长度为:" + a.length);//3

        //整型变量，存放在栈中
        int num =8;
        System.out.println("num:"+num);

        //定义一个新的数组b
        int[] b=new int[4]; 
        System.out.println("b的长度是:"+b.length);

        //将a赋值给b，是b的指向改变了，但b原先对应的数组依然存在
        b=a; 
        System.out.println("b的长度是:"+b.length);
    }
}

3. 内存分析

为了让各位更好地理解基本类型的数据和数组的内存结构，再给大家绘制下面一张图。

根据上面的代码和下面的内存分析图，我们可以得到如下结论：

• 变量a存放在栈中，a的值是数组的首地址，数组的真正数据{5,7,20}存放在堆中；
• 整型变量num存放在栈中；
• 定义新的数组b，数组名称b存放在栈中，b的数据在堆中；
• 将a赋值给b，此时b的指向改变了，但b原先对应的数组依然存在，此时b指向原先a对应的数组数据。

二. 数组扩容与缩容

1. 扩容简介

在前面给大家说过，数组一旦创建初始化后，其长度就不能被改变。但是有的小伙伴就说了，”不对啊，我看别人的文章说，可以往数组中增加很多新数据啊......“。那如果是这样，假如我们一开始定义一个长度为5的数组，然后想把10个数据元素都插进去，这能不能实现？

大家想一下，你能把10升水装到5升的瓶子中吗？肯定不行！如果你非要把10升水都装到瓶子里，肯定需要换一个新的更大的瓶子！

所以今天跟大家说的”数组扩容“，其实并不是将这些多余的数据装到原有的数组中，而是创建一个新的更大的数组，再把原有数组中的内容都复制到新数组中来！

2. 扩容与缩容流程(重点)

在Java中，数组的”扩容“和”缩容“，并不是真的改变原有数组的大小，而是创建一个新的数组，然后再进行操作，具体流程如下：

• 步骤1： 定义一个新数组，新数组的长度要比原数组增加或者减小；
• 步骤2： 将原数组中的元素拷贝到新数组中；
• 步骤3：将原数组的名称变量指向新数组。

3. 代码实现

接下来就按照上面的流程，来带大家实现一下数组的扩容和缩容。

3.1 扩容代码

以下代码是进行数组扩容的案例。

/**
 * @author
 */
public class Demo05 {
    public static void main(String[] args) {
	// 数组扩容
	// 原数组
	int[] oldArr = { 1, 3, 46, 22, 11 };

	// 1.定义一个新数组，长度比原数组的长度多1，用于扩容
	int[] newArr = new int[oldArr.length + 1];

	// 2.数组拷贝
	for (int i = 0; i < oldArr.length; i++) {
            //数组拷贝，将原来数组的元素拷贝到新数组中
            newArr[i] = oldArr[i];
	}

	// 3.将原数组的名称变量指向新数组
	oldArr = newArr;
	System.out.println("数组长度="+oldArr.length);
        
	//4.遍历数组
	for (int i = 0; i < oldArr.length; i++) {
            //最后一个元素的值是默认值0
            System.out.println(oldArr[i]);
	}
    }
}

这里我们使用newArr[i] = oldArr[i];这样的语句，将旧数组中的元素拷贝到新数组中

3.2 缩容代码

以下代码是进行数组缩容的案例，供大家参考：

/**
 * @author
 */
public class Demo06 {
    public static void main(String[] args) {
	// 数组缩容
	//定义一个原数组
	int[] oldArr = {1,3,46,22,11};
	//1.定义一个新数组，新数组的长度比原数组长度少1个
	int[] newArr = new int[oldArr.length-1];

	//2.进行数组拷贝，将旧数组中的元素拷贝到新数组中
	for (int i = 0; i < newArr.length; i++) {
            newArr[i] = oldArr[i];
	}

	//3.将原数组的名称变量指向新数组
	oldArr = newArr;
	for (int i = 0; i < newArr.length; i++) {
            System.out.println(oldArr[i]);
	}
    }
}

三. 数组拷贝

在给大家讲解数组扩容时，涉及到了数组中数据元素的拷贝复制。那么除了上面的拷贝方式之外，数组还有哪些拷贝方式呢？

1. 拷贝方式

在Java中，数组的拷贝主要有三种实现方式：

通过循环语句，将原数组中的各个元素拷贝到新数组中(即数组扩容案例中使用的方法)；

System类提供的数组拷贝方法；

Arrays类提供的数组拷贝方法。

接下来就设计几个案例，来给大家展示这几种方式都是怎么进行数组拷贝的。因为第一种数组拷贝方式，我们已经在数组扩容的案例中给大家演示了，这里就不再重复展示相关代码了。

2. System.arraycopy方法

2.1 简介

System.arraycopy()是Java提供的一个本地静态方法，用于将数据元素从源数组复制到目标数组。

public static native void arraycopy(Object src,int srcPos,Object dest,int destPos,int length);

arraycopy()方法有5个核心参数，其含义如下：

• src: 源数组，即被复制的旧数组；
• srcPos: 源数组中开始复制的索引位置；
• dest: 目标数组，即要复制到的新数组；
• destPos: 要复制到目标数组中的索引位置；
• length: 要复制的元素个数。

另外我们还要注意，arraycopy()方法在有些情况下有可能会发生如下异常：

• NullPointerException: if source or destination array is null.NullPointerException ：如果源或目标数组为null时，就会产生NullPointerException异常。
• ArrayStoreException: if the source and destination array type doesn’t match or they are not array.ArrayStoreException ：如果源和目标数组类型不匹配或不是数组，会产生该异常；
• ArrayIndexOutOfBoundsException: if the data overflow occurs because of index values or they are negative.ArrayIndexOutOfBoundsException ：如果由于索引值导致数据溢出，或它们为负数时会产生该异常。

2.2 案例

我们先来看看下面这个数组拷贝的案例：

/**
 * @author
 */
public class Demo07 {
    public static void main(String[] args) {
	// 数组拷贝
	//1.源数组
	int[] srcArr = {1,3,46,22,11};

	//2.目标数组
	int[] destArr = new int[srcArr.length + 5];
        /**
	* src:原数组
	* srcPos：原数组的起始拷贝位置
	* dest：目标数组
	* destPos：目标数组的起始拷贝位置
	* length：拷贝的长度
	*/
	//3.调用arraycopy方法进行复制
	System.arraycopy(srcArr, 1, destArr, 3, 4);

	//对新数组进行遍历
	for (int i = 0; i < destArr.length; i++) {
            System.out.print(destArr[i]+"\t");
	}
    }
}

3. Arrays.copyOf方法

3.1 简介

Arrays.copyOf()可以复制数组中指定范围的元素。该方法会返回一个新的数组对象，且改变新数组中的元素值，不会影响原来的数组。我们还可以利用Arrays.toString方法将赋值后的数组输出。

该方法支持的参数可以是long、float、double、int、boolean、byte、Object等类型的数组。

public static int[] copyOf(int[] original, int newLength);

copyOf()方法有2个核心参数，其含义如下：

• original: 源数组，即被复制的旧数组；
• newLength: 表示新数组的长度。如果新数组的长度超过源数组的长度，会采用数组元素类型的默认值。

3.2 案例

以下是Arrays.copyOf()方法的实现案例：

/**
 * @author
 */
public class Demo08 {
    public static void main(String[] args) {
	// 数组拷贝
	//1.源数组
	int[] srcArr = {1,3,46,22,11};
	/**
	* original：原数组
	* newLength：新数组的长度
	* 返回值：返回新数组 
	*/
	//2.调用copyOf方法进行数组拷贝
	int[] destArr = Arrays.copyOf(srcArr, srcArr.length+1);
		
	//3.遍历新数组
	for (int i = 0; i < srcArr.length; i++) {
            System.out.print(destArr[i]+"\t");
	}
    }
}

四. 结语

至此，就把数组的扩容、缩容及拷贝等内容给大家介绍完毕了，现在你明白数组的扩容原理了吗？

以上就是详解Java数组扩容缩容与拷贝的实现和原理的详细内容，更多关于Java数组扩容缩容与拷贝的资料请关注脚本之家其它相关文章！