前言

有时我们希望将把数据保存在单个连续的数组中，以便快速、便捷地访问数据，但这需要调整数组大小或者对其扩展。Java 数组不能调整大小，只用数组不足以达成目标。可变长原始类型数组需要自己实现。本文将展示如何实现 Java 可变长数组。

为什么不用 ArrayList？

要满足文章开头的需求，为什么不使用 Java ArrayList？如果满足下面条件之一，可以使用 ArrayList：

• 在数组中存储某种对象类型；
• 在数组中存储原始类型，没有特别的性能或内存要求。

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Java ArrayList 类只适用于对象，不适合原始类型（byte、int、long等）。使用 ArrayList 存储原始类型数据，插入 ArrayList 时会自动装箱为对象中，从中取出时会进行拆箱转为原始类型。装箱和拆箱在插入元素和访问元素时会带来额外开销，在尝试针对性能进行优化时，应该避免这些开销（本文是 Java 性能跟踪的一部分）。

不仅如此，这种方式无法确定自动装箱对象在内存中的存储位置。很可能分散存储在堆中各个位置。因此，与原始类型数组相比访问速度要慢得多，前者在内存中连续存储。

另外，原始类型装箱会带来额外的内存开销，例如 long 会存到 Long 对象。

本文源代码

本文实现了 Java 变长数组源代码可以在 GitHub 下载：

http://github.com/jjenkov/java-resizable-array

代码包含三个 Java 类和两个单元测试。

可变长数组用例

假设有一台服务器接收大小不同的邮件。其中有些邮件很小（小于4KB），另一些很大（1MB 甚至更大）。

如果服务器同时从多个（10万多个）连接接收消息，那么需要为每个消息限制预分配内存。每个缓冲区不能只按最大值（1MB或16MB）分配内存。当连接和消息数量增加时，这种方式会快速耗尽服务器内存！100_000 x 1MB = 100GB（这是估计值，帮助问题理解）。

假设大多数消息比较小，一开始可以使用较小的缓冲区。如果消息超出缓存大小，则分配一个更大的新数组，并把数据拷贝到该数组中。如果消息超出分配的新数组，接着分配一个比之前更大的数组，并把消息复制到该数组。

使用这种策略，大多数消息通常只会存入小数组。这意味着服务器内存得到了更有效的利用。100_000 x 4KB (小缓冲) = 400MB大多数服务器应该能够正常处理。即使是 4GB (1_000_000 x 4KB)，现在的服务器也能满足要求。

可变长数组设计

可变长数组包含两个组件：

• ResizableArray
• ResizableArrayBuffer

ResizableArrayBuffer 包含一个大数组。该数组被划分为三个部分。一段用作小数组，一段用作中数组，一段用作大数组。ResizableArray类表示一个可变长数组，底层数据存储在ResizableArrayBuffer中。

下图展示了数组分为三段，每段再分为小块：

通过为小、中、大不同类型数据预留空间，ResizableArrayBuffer 能够确保不会被某种大小的数据塞满。例如，小数据不会占用数组的所有内存，进而阻断中型和大数据存储。同样，接收大数据也不会占用所有内存，进而阻断小数据和中型数据存储。

由于底层存储以小数据开始，如果小数组存储空间耗尽，那么无论中数组或大数组是否还有空间，都无法分配新的数组。可以让使小数组足够大，减小发生这种情况的可能性。

即使小数组已经全部用完，仍然可以把小数据变成中型和大型数据。

优化方案

一种优化方案：只用一个存储块。需要的时候在待扩展的块后面直接分配新块。这样不需要把数据从旧数组拷贝到新数组，可以直接“扩展”存储块容纳旧数据和新数据，新数据直接写入新增的第二个扩展块即可。这样避免了拷贝所有数组数据的情况。

上述优化的缺点在于，如果无法扩展下一个内存块仍然需要拷贝数据。因此需要加入“可扩展”检查，这个操作开销不大。此外，如果存储块大小设置过小，在小数据、中等数据和大数据都存在的情况下会出现频繁扩展。

跟踪空闲块

ResizableArrayBuffer 内部的大数组同样分为三段。每段都被分为更小的存储块；每段中的存储块大小相同；小数组中的存储块大小相同；中型数组中的存储块大小相同；大数组中的存储块大小相同。

每段中的存储块大小相同可以更方便地追踪块使用状态。可以使用队列记录每个块的起始索引。还需要一个队列记录每段中的共享数组。最终，一个队列来跟踪空闲小数据块，一个队列用记录空闲的中型数据块，一个队列用于空闲的大数据块。

根据数据类型从响应队列获取下一个空闲块起始索引，可以实现从任意数据段分配存储块。把起始索引放回相应队列可以释放数据块。

这里我用简单的环形缓冲区实现队列。GitHub 仓库对应的代码为 QueueIntFlip。

扩展写

向数组写数据时，可变长数组自动扩展。如果尝试向数组写入的数据超出当前分配的存储空间，将分配一个新的更大的存储块并把所有数据拷贝到新块中，然后释放之前较小的存储块。

释放数组

一旦可变长数组完成了大小调整，应该对其进行释放以便可以接收其他消息。

使用 ResizableArrayBuffer

下面展示如何使用 GitHub 中 ResizableArrayBuffer。

创建一个 ResizableArrayBuffer

首先，必须创建一个 ResizableArrayBuffer。示例如下：

这个例子创建的 ResizableArrayBuffer 包含一个4KB小数组，128KB中数组和1MB大数组。ResizableArrayBuffer存储空间包含1024个小数组（共4MB）、32个中数组（共4MB）和4个大数组（共4MB），完整的共享数组大小总计12MB。

获取 ResizableArray 实例

要得到 ResizableArray 实例，调用 ResizableArrayBuffer的getArray() 方法，如下所示：

这里得到一个最小的 ResizableArray（之前设置为4KB）。

向 ResizableArray 写数据

调用 write() 方法向 ResizableArray 写数据。GitHub 中 ResizableArray 类只包含一个 write() 方法，其参数为 ByteBuffer。不过，可以根据需要自行添加更多 write() 方法。

下面是写数据示例：

上面的代码把 ByteBuffer 内容复制到 ResizableArray 数组中。Write() 返回从 ByteBuffer 拷贝的字节数。

如果 ByteBuffer 包含的数据超出了 ResizableArray 容量，这时 ResizableArray 会尝试扩展,为 ByteBuffer 中的数据留出空间。如果 ResizableArray 即使扩展到最大值也无法容纳 ByteBuffer 中的所有数据，则 write() 方法返回-1，并且不会复制任何数据！

从 ResizableArray 读数据

从 ResizableArray 中读数据时，可以直接从 ResizableArray 所有实例中直接读取共享数组。ResizableArray 包含以下 public 字段：

• sharedArray 字段对应所有 ResizableArray 实例中的共享数组,即ResizableArrayBuffer 的内部数组。
• offset 字段对应共享数组的起始索引，ResizableArray 在这里保存数据。
• capacity 字段包含分配给 ResizableArray 实例中的块大小。
• length 字段包含 ResizableArray 实际使用的块数量。

要读取 ResizableArray 的写入数据，只要读取从sharedArray[offset] 到sharedArray[offset+ length -1] 的字节即可。

释放 ResizableArray

一旦 ResizableArray 实例使用完毕应该释放。只要在 ResizableArray 上调用 free() 方法即可，如下所示：

无论分配给 ResizableArray 块大小如何，调用 free() 都能将使用的块正确返还队列。

变换设计

您可以根据自己的需要修改 ResizableArrayBuffer 设计。例如，可以在其中创建多于三个数据段。操作起来应该也很容易。

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