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ArrayList的扩容机制

news 来源：原创 2025/5/13 19:32:24

1.是什么

ArrayList 是 Java 中的动态数组类，它的底层实现是一个可以自动扩展的数组。ArrayList 的扩容机制是其最重要的特性之一，因为它使得开发者无需关心数组的大小。以下是 ArrayList 扩容机制的详细解释：

1. 初始容量

当创建 ArrayList 时，默认情况下它会有一个初始容量。这个初始容量可以通过构造函数指定：

ArrayList()：默认容量是 10。
ArrayList(int initialCapacity)：使用用户指定的初始容量。

2. 添加元素时的扩容

当向 ArrayList 添加元素时，如果当前元素的数量超过了数组的容量，ArrayList 需要进行扩容。扩容的核心逻辑发生在 add() 方法中。扩容的步骤可以概括为：

检查当前容量：在添加元素前，ArrayList 会检查当前底层数组的容量是否足够容纳新的元素。
扩容逻辑：如果容量不足，则触发扩容机制。ArrayList 的扩容策略是按照 1.5 倍的方式进行扩容。具体来说，新容量 = 旧容量 + (旧容量 >> 1)，即新容量是旧容量的 1.5 倍。
复制数组：ArrayList 会创建一个新的数组，将原数组中的所有元素复制到新数组中，释放旧数组的内存。
添加元素：完成扩容后，元素被添加到新的数组中。

3. 源码分析

我们通过源码进一步了解 ArrayList 的扩容机制。这里的示例是基于 JDK 8 的 ArrayList 源码。

public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // 确保容量足够
    elementData[size++] = e;           // 添加元素
    return true;
}

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    // 如果没有初始化数组，则将默认容量与需要的最小容量进行比较
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}

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

    // 扩容条件：当最小容量大于当前数组容量时
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);
}

private void grow(int minCapacity) {
    // 旧容量
    int oldCapacity = elementData.length;
    // 新容量 = 旧容量的 1.5 倍
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    // 如果新容量仍然不足以容纳新元素，使用最小容量
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    // 如果新容量大于最大允许的数组大小，使用最大值
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    // 复制数组
    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;
}

4. 扩容示例

假设我们创建一个默认容量为 10 的 ArrayList，并向其中不断添加元素，扩容过程如下：

初始容量为 10。
当添加第 11 个元素时，触发扩容。此时，旧容量为 10，新容量为 10 + 10/2 = 15，扩容到 15。
当添加第 16 个元素时，再次触发扩容。旧容量为 15，新容量为 15 + 15/2 = 22，扩容到 22。
依次类推，后续每当容量不足时，ArrayList 按照 1.5 倍的速率扩容。

5. 扩容的性能影响

扩容代价：扩容的代价主要来自于数组的复制操作，尤其是在数组较大的情况下，复制操作会占用较多的时间。每次扩容时，ArrayList 需要分配新的数组并将旧数组的数据复制到新数组中。
避免频繁扩容：如果能够提前预估 ArrayList 的大小，建议在创建时指定合适的初始容量（通过 ArrayList(int initialCapacity) 构造函数）。这样可以减少扩容次数，提高性能。