Array--List--ArrayList 三者的区别(一)——引言篇

本文深入探讨了数据在计算机中的存储与组织问题,详细解释了如何将现实世界的事物编码为计算机可理解的形式,包括存入数据、修改数据的过程,以及计算机处理数据的方式。同时介绍了高级编程语言与二进制指令集之间的转换,以及如何通过编程语言与计算机进行有效沟通。

本系列博客,其实说的是数据在计算机中的存储和组织的问题:也就是——数据结构的问题

这是一个很基础的问题,本质是现实生活中的事物如何装入计算机中并且表示出来的问题。其实就是我们通常说的编码。在计算机中我们采用二进制编码,为什么?额,这个您还是自己百度一下吧

1、存入数据

好了,那么如果我要往计算机中放入一个名字“bill”,怎么办?从逻辑上来说,我们的过程应该是这样的。

首先:需要在内存中申请一块儿空间,用来存放数据
然后:告诉计算机你要多大的空间?
再然后:确定这块儿空间需要存放什么类型的数据
接下来:找到这块儿空间,把数据放进入这块儿空间。

2、修改数据

存进入后,我想要拿出来这个名字“bill”并把它改一下名字,改成“cindy”我应该怎么办?
首先:找到那块儿存储“bill”的空间 。
然后:把空间存储的值,改成“cindy“。

3、计算机是怎么想的?

但是,亲,咱们先得明白一件事儿。计算机可不会像咱们这样去处理和思考问题。别忘了他只识别0和1……所以,整个过程的指令应该是0和1的指令集。
比如:指令“申请一块儿空间”,在计算机的内部是用类似“01101010010”这样的一串儿01指令来表示。当然,所有的指令集都是用这样的指令来表示的。这个你可以不用怀疑。不过,我们可不想这样来进行编程。怎么办?将这些01指令集进行一个再编码,抽象封装成我们能够容易识别和接受的高级编程语言,中间通过编译程序将我们的高级语言翻译成机器能够识别的二进制语言,也就是01指令。

4、我们怎么同计算机沟通?

那么在高级编程语言中,我们通常这样来和计算机交流:
string userName = “bill”;(C#代码)
这句话的意思就是,在内存中申请一块儿空间,用来存放userName这个变量,这个变量的值是bill。

所谓变量,是指一个包含部分已知或未知数值或资讯(即一个值)之储存位址,以及相对应之符号名称(识别字)。变量具有一个名称(用于表示变量包含的值的词语)。变量还具有数据类型(决定变量可以存储的数据类型)。如果变量必须存储一组密切相关的索引数据项,则它可以表示数组。如果你想要……

<think>首先,用户要求详细解析ArrayList的动态扩容原理和机制。我需要基于提供的引用内容来构建回答,同时确保回答结构清晰,帮助用户逐步理解。 回顾引用内容: - 引用[1]提到Arrays.copyOf()在扩容时使用,容量增加为原来的1.5倍。 - 引用[2]指出无参构造时初始容量为0或10(取决于JDK版本),每次扩容1.5倍。 - 引用[3]介绍了ArrayList的继承和接口。 - 引用[4]是ArrayList的源码声明。 - 引用[5]详细描述了grow方法的工作原理,包括右移操作计算新容量。 用户的问题是关于动态扩容原理和机制的详细解析,所以焦点应该在扩容过程上。我应该整合这些信息,提供个逻辑清晰的解释。 回答结构: 1. **引言**:简要介绍ArrayList是什么及其动态扩容的必要性。 2. **扩容机制核心**: - 初始容量:取决于构造器(无参或有参)。 - 触发扩容:当添加元素时容量不足。 - 扩容过程:调用grow方法,容量增加为原容量的1.5倍。 - 内部实现:使用Arrays.copyOf()复制元素到新数组。 3. **详细步骤**:基于引用[5],描述grow方法的工作原理。 4. **JDK版本差异**:提到引用[2]中的不同(初始容量在JDK1.6中为10)。 5. **关键点**:强调为什么是1.5倍,如何计算(右移操作)。 确保使用中文回答,并遵守系统指令: - 数学表达式用$...$格式。 - 独立公式用$$...$$格式。 - 末尾添加引用标识。 - 生成相关问题。 数学表达式: - 在描述扩容比例时,使用 $1.5$ 倍来表示。 - 右移操作:如引用[5]所示,oldCapacity >> 1 表示除以2,所以在计算新容量时,$newCapacity = oldCapacity + \frac{oldCapacity}{2}$。 - 更精确地说:$newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1)$,其中 >> 1 是右移位,等价于除以2。 独立公式: - 如果需要公式,用 $$...$$ 格式,单独成段。 - 例如,扩容公式:$$newCapacity = oldCapacity + \frac{oldCapacity}{2}$$ 或基于位运算:$$newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1)$$ 引用: - 在回答中适当引用段落,末尾添加 [^n]。 - 例如,提到初始容量时引用[2],提到grow方法时引用[5]。 相关问题生成: - 在回答结束时,生成相关问题,如用户示例所示。 - 基于主题,提出相关问题,如性能分析、优化方法、应用场景等。 完整回答结构: 1. **介绍ArrayList**:简述ArrayList的特性。 2. **扩容触发条件**:说明何时扩容。 3. **初始容量**:解释构造器的影响。 4. **扩容过程**:详细描述grow方法。 5. **实现细节**:包括Arrays.copyOf()和位运算。 6. **总结**:概述扩容机制。 7. **相关问题**:列出相关问题。 确保回答真实可靠:基于提供的引用,不要臆造信息。引用[5]给出了源码细节,引用[1]、[2]提供概述。 最终输出: - 先用中文回答。 - 在末尾添加相关问题。 - 引用标识放在相关句子末尾。 </think>### ArrayList动态扩容原理及机制详细解析 ArrayList是Java集合框架中个基于数组实现的动态列表,它允许在运行时自动调整容量以适应元素数量的变化。这种动态扩容机制确保了高效的元素添加操作,但也涉及性能开销。下面我将逐步解析其原理和机制,帮助您清晰理解。 #### 1. **初始容量与扩容触发条件** - **初始容量**:ArrayList的初始容量取决于构造器。 - 如果使用无参构造器(如 `new ArrayList()`),在不同JDK版本下行为不同: - JDK 1.6及之前:初始容量固定为10[^2]。 - JDK 1.7及之后:初始容量为0(延迟初始化),只有当第次添加元素时才分配默认容量10[^2]。 - 如果使用带初始容量的构造器(如 `new ArrayList(20)`),则容量直接设为指定值。 - **扩容触发条件**:当调用 `add()` 等方法添加新元素时,如果当前元素数量(size)等于数组容量(capacity),ArrayList会触发扩容机制。这是因为数组已满,无法再存入新元素[^1][^5]。 #### 2. **扩容过程的核心步骤** ArrayList的扩容主要通过内部的 `grow(int minCapacity)` 方法实现,其中 `minCapacity` 是所需的最小容量(通常为当前元素数size + 1)。扩容过程包括容量计算和数据迁移: - **容量计算**:新容量基于原容量的1.5倍计算。具体公式使用位运算优化: $$newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity \gg 1)$$ 其中: - $oldCapacity$ 是原数组容量。 - $\gg 1$ 表示右移位(等价于除以2),例如:$10 \gg 1 = 5$(因为二进制 $0000\ 1010$ 右移位为 $0000\ 0101$)。 因此,新容量 $newCapacity$ 是原容量的 $1.5$ 倍(如原容量10,则新容量为15)[^1][^5]。 - 特殊情况处理: - 如果计算出的 $newCapacity$ 小于所需的 $minCapacity$(例如首次添加元素时),则直接使用 $minCapacity$ 作为新容量。 - 如果 $newCapacity$ 超过最大数组限制(`MAX_ARRAY_SIZE`),则会调用 `hugeCapacity()` 方法进行调整,确保不超过系统上限[^5]。 - **数据迁移**:计算新容量后,ArrayList调用 `Arrays.copyOf(elementData, newCapacity)` 方法: - 创建个新数组(大小为 $newCapacity$)。 - 将原数组元素完整复制到新数组。 - 旧数组被丢弃,元素引用切换到新数组[^1][^5]。 这个过程确保元素顺序不变,但复制操作的时间复杂度为 $O(n)$,其中 $n$ 是元素数量。 #### 3. **扩容机制的原理分析** - **为什么是1.5倍?** - 1.5倍扩容是种折中策略:倍数太小会导致频繁扩容(增加复制开销),倍数太大则浪费内存。1.5倍通过位运算高效实现,避免浮点运算开销(如 $oldCapacity + (oldCapacity >> 1)$ 直接使用整数运算)[^5]。 - 数学上,容量序列 $C_0, C_1, C_2, \ldots$ 满足 $C_k = \lfloor C_{k-1} \times 1.5 \rfloor$,这使得平均每次添加操作的均摊时间复杂度为 $O(1)$,证明如下: - 设初始容量为 $C$,经过 $k$ 次扩容后容量为 $C \times 1.5^k$。 - 总复制元素数为 $C + C \times 1.5 + C \times 1.5^2 + \cdots + C \times 1.5^k \approx O(C \times 1.5^k)$。 - 元素添加次数为 $O(C \times 1.5^k)$,因此均摊成本为常数级[^1][^5]。 - **性能影响**: - **优点**:动态扩容让ArrayList在多数添加操作中高效(无需预先分配大内存)。 - **缺点**:复制操作在扩容时会带来短暂性能下降。例如,添加 $n$ 个元素,最坏情况下触发 $\log_{1.5} n$ 次扩容,总时间复杂度为 $O(n \log n)$[^5]。 - **JDK版本差异**:在JDK 1.6中,无参构造器直接设置初始容量为10;而在JDK 1.7+,初始容量为0(延迟初始化),以节省内存[^2]。 #### 4. **代码实现示例** 基于ArrayList源码,以下是关键方法的伪代码(简化版),展示扩容逻辑: ```java public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, Serializable { private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10; // 默认容量[^5] private Object[] elementData; // 内部数组 private int size; // 元素数量 // 添加元素方法 public boolean add(E e) { ensureCapacityInternal(size + 1); // 确保容量足够 elementData[size++] = e; return true; } private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) { if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) { minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity); // 首次扩容设为默认容量 } ensureExplicitCapacity(minCapacity); } private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) { if (minCapacity - elementData.length > 0) { grow(minCapacity); // 触发扩容 } } private void grow(int minCapacity) { int oldCapacity = elementData.length; int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // 计算新容量:原容量 * 1.5[^5] if (newCapacity - minCapacity < 0) { newCapacity = minCapacity; // 处理容量不足的情况 } if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0) { newCapacity = hugeCapacity(minCapacity); // 处理超大容量 } elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); // 复制数据到新数组[^1] } } ``` 此代码显示: - `grow()` 方法是扩容核心,使用位运算计算新容量。 - `Arrays.copyOf()` 执行数据迁移(复制旧数组元素)[^1][^5]。 #### 5. **总结** ArrayList的动态扩容机制通过自动调整数组大小来支持灵活的元素添加。其核心是: - **触发时机**:元素添加导致容量不足时。 - **扩容策略**:容量按原容量的 $1.5$ 倍增长,使用位运算优化。 - **数据迁移**:通过 `Arrays.copyOf()` 复制元素到新数组。 - **性能**:均摊时间复杂度为 $O(1)$,但单次扩容开销为 $O(n)$。 这种机制平衡了内存使用和操作效率,是ArrayList高效性的关键。但在高频添加场景中,如大数据处理,建议使用带初始容量的构造器减少扩容次数[^1][^2][^5]。
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