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ArrayList 和 LinkedList 是 Java 集合框架中两种常用的列表实现，它们在底层数据结构、性能特点和适用场景上有显著的区别。以下是它们的详细对比以及 ArrayList 的扩容机制。

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1. ArrayList 和 LinkedList 的底层区别

(1) 底层数据结构

• ArrayList：

  • 基于动态数组（Dynamic Array）实现。
  • 元素在内存中是连续存储的。
  • 支持随机访问，可以通过索引快速定位元素。

• LinkedList：

  • 基于双向链表（Doubly Linked List）实现。
  • 每个元素（节点）包含数据和两个指针，分别指向前后节点。
  • 不支持随机访问，必须从头或尾遍历链表才能访问指定位置的元素。

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(2) 性能特点

特性	ArrayList	LinkedList
随机访问	快速（时间复杂度为 O(1)）。	慢（时间复杂度为 O(n)，需要遍历链表）。
插入/删除	较慢（时间复杂度为 O(n)，可能需要移动元素）。	快速（时间复杂度为 O(1)，只需调整指针）。
内存占用	较低（仅存储元素和少量额外信息）。	较高（每个节点需要存储数据和两个指针）。

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(3) 使用场景

• ArrayList：

  • 适用于频繁随机访问元素的场景。
  • 适合读多写少的场景。
  • 示例：存储一组用户 ID，并根据索引快速查找某个用户。

• LinkedList：

  • 适用于频繁插入和删除操作的场景。
  • 适合写多读少的场景。
  • 示例：实现队列或栈等数据结构。

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2. ArrayList 的扩容机制

(1) 动态数组的特点

• ArrayList 内部使用一个数组来存储元素。
• 当数组容量不足时，ArrayList 会自动扩容以容纳更多元素。

(2) 扩容过程

1. 初始容量：

   • 默认初始容量为 10。
   • 可以通过构造方法指定初始容量。

     ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>(20); // 初始容量为 20
     

2. 扩容触发条件：

   • 当添加新元素时，如果当前数组容量不足以容纳新元素，则触发扩容。

3. 扩容策略：

   • 新容量通常是原容量的 1.5 倍（即原容量 + 原容量的一半）。
   • 扩容后，会创建一个新的数组，并将原数组中的所有元素复制到新数组中。
   • 源码示例（JDK 8 中的部分代码）：

     private void grow(int minCapacity) {int oldCapacity = elementData.length;int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // 扩容为原来的 1.5 倍if (newCapacity - minCapacity < 0)newCapacity = minCapacity;if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); // 复制到新数组
     }
     

4. 性能影响：

   • 扩容操作涉及数组的复制，因此是一个耗时的操作。
   • 如果可以预估元素数量，建议在初始化时指定合适的容量，避免频繁扩容。

步骤

1. 计算新容量：新容量通常是旧容量的 1.5 倍（即 oldCapacity + (oldCapacity >> 1)）。例如，若当前容量为 10，则扩容后为 15。

2. 比较最小需要容量：如果计算得到的新容量仍小于所需的最小容量（minCapacity），则将新容量设为 minCapacity。

3. 检查最大容量限制：如果新容量超过了 ArrayList 能支持的最大容量（Integer.MAX_VALUE - 8），则将新容量设为 Integer.MAX_VALUE。

4. 数组复制：最终，使用 Arrays.copyOf() 方法将原数组的元素复制到新数组中，并将新数组赋值给 elementData。

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(3) 扩容示例

import java.util.ArrayList;public class Main {public static void main(String[] args) {ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();System.out.println("Initial capacity: " + getCapacity(list));for (int i = 0; i < 15; i++) {list.add(i);System.out.println("After adding " + i + ", capacity: " + getCapacity(list));}}// 获取 ArrayList 的当前容量（反射方式）private static int getCapacity(ArrayList<?> list) {try {java.lang.reflect.Field field = ArrayList.class.getDeclaredField("elementData");field.setAccessible(true);return ((Object[]) field.get(list)).length;} catch (Exception e) {e.printStackTrace();return -1;}}
}

运行结果：

Initial capacity: 10
After adding 0, capacity: 10
After adding 1, capacity: 10
...
After adding 9, capacity: 10
After adding 10, capacity: 15
After adding 11, capacity: 15
...

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3. 总结

(1) ArrayList 和 LinkedList 的区别

特性	ArrayList	LinkedList
底层数据结构	动态数组	双向链表
随机访问	快速（O(1)）	慢（O(n)）
插入/删除	较慢（O(n)）	快速（O(1)）
内存占用	较低	较高
适用场景	频繁随机访问、读多写少	频繁插入删除、写多读少

(2) ArrayList 的扩容机制

• 默认初始容量为 10。
• 扩容时，新容量为原容量的 1.5 倍。
• 扩容涉及数组复制，可能会带来性能开销。
• 如果可以预估元素数量，建议在初始化时指定合适的容量。