Java List 扩容详解

最新推荐文章于 2025-01-15 13:25:58 发布

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分类专栏： java 数据库文章标签： java list 扩容

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在 Java 中，List 是一种常见的集合类型，特别是 ArrayList 和 LinkedList 是两个常用的实现类。由于 ArrayList 是基于动态数组实现的，因此它会在需要时自动进行扩容，以便容纳更多的元素。在 ArrayList 中，扩容是一个非常关键的机制，它能够保证 ArrayList 在不断添加元素时保持良好的性能。

1. 为什么需要扩容？

ArrayList 基于数组实现，而数组的大小是固定的。因此，ArrayList 在容量满时需要进行扩容。当我们向 ArrayList 添加元素时，如果当前的数组已经没有空间容纳新元素，就会触发扩容操作。扩容的目的是：

保证 ArrayList 能够容纳更多的元素。
避免因为容量不足而频繁地增加数组大小，从而提高性能。

2. 扩容的触发条件

ArrayList 的扩容是根据其当前的容量（capacity）和大小（size）来决定的。容量表示当前数组可以存储的元素个数，大小表示已经存储的元素个数。扩容的触发条件是当 当前元素个数（size）达到容量（capacity）时。

默认情况下：

ArrayList 会根据需要动态调整容量。
初始容量是 10。
默认的扩容策略是当容量满时，容量会扩展到 原来容量的 1.5 倍。

3. 扩容的过程

当 ArrayList 的容量不够时，会自动扩容。以下是扩容的具体过程：

3.1. 创建一个新数组

ArrayList 会创建一个新的数组，这个数组的大小通常是原数组大小的 1.5 倍。假设原始数组的容量是 n，扩容后新数组的容量是 n + n/2，即 n 的 1.5 倍（具体实现可能因 JDK 版本有所不同）。

3.2. 将原有元素复制到新数组

扩容后，ArrayList 会将原数组中的所有元素复制到新的数组中。此过程的时间复杂度是 O(n)，其中 n 是当前 ArrayList 的元素个数。

3.3. 更新数组引用

扩容完成后，ArrayList 会更新内部数组的引用，使其指向新创建的数组，并继续使用这个新数组来存储新的元素。

4. 扩容的代码分析（以 JDK 8 为例）

在 JDK 8 中，ArrayList 的扩容过程通过 ensureCapacity 方法来实现：

private void grow(int minCapacity) {
    int oldCapacity = elementData.length;
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // 容量扩展为原来容量的1.5倍
    if (newCapacity - minCapacity < 0) {
        newCapacity = minCapacity; // 如果新的容量还是不足，直接设置为所需容量
    }
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); // 拷贝到新的数组
}

elementData 是 ArrayList 用来存储元素的数组。
oldCapacity 是当前数组的容量。
newCapacity 是扩容后的新容量，计算方式是原来容量的 1.5 倍。
Arrays.copyOf 是用来创建一个新的数组并将旧数组的元素复制到新数组中的方法。

5. 扩容的影响

扩容是 ArrayList 中常见的一种操作，虽然它确保了 ArrayList 的灵活性，但也有一定的开销。以下是扩容的影响：

5.1. 性能开销

扩容时，ArrayList 需要创建一个新数组，并将旧数组的元素复制到新数组中，这个过程的时间复杂度是 O(n)，其中 n 是当前 ArrayList 的大小。
频繁扩容会影响性能，因为每次扩容都需要复制整个数组。

5.2. 内存开销

扩容时，ArrayList 会分配一个新的更大的数组，旧数组会被垃圾回收器回收。如果扩容发生频繁，会导致内存使用效率降低。
尽管扩容时会额外分配一些内存（通常是原容量的 1.5 倍），但也可以有效避免频繁的内存分配操作。

6. 如何优化扩容？

6.1. 合理设置初始容量

如果已知将要存储的元素数量，可以在创建 ArrayList 时指定一个合适的初始容量，以避免多次扩容。例如，如果预计将存储 1000 个元素，应该将初始容量设置为 1000，这样就可以避免扩容。

List<Integer> list = new ArrayList<>(1000); // 预设初始容量为1000

6.2. 使用 `ensureCapacity` 提前扩容

如果你知道未来将会插入大量元素，可以通过 ensureCapacity 方法提前扩容，这样可以避免在插入时频繁扩容。

list.ensureCapacity(1000); // 确保容量至少为 1000

6.3. 避免不必要的插入操作

每次 ArrayList 扩容都会带来一定的性能成本。如果可能，应该避免频繁插入元素，尤其是在大量数据的场景下。

6.4. 使用其他容器

如果对内存和性能有特殊要求，也可以考虑使用其他 List 实现（例如 LinkedList）或其他集合类型（如 CopyOnWriteArrayList、Vector），这些实现的扩容机制和性能特点有所不同。

7. 扩容示例

以下是一个简单的示例，演示了 ArrayList 如何自动扩容：

import java.util.ArrayList;

public class ArrayListResizeExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个容量为 2 的 ArrayList
        ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>(2);
        
        // 添加一些元素，触发扩容
        list.add(1);
        list.add(2);
        
        // 扩容会发生，因为当前容量已经满了
        list.add(3);
        
        System.out.println("ArrayList: " + list);
    }
}