Java ArrayList 扩容机制

一、ArrayList 简介

ArrayList 是 Java 集合框架中基于数组实现的可变长度列表，其核心特性是：

• 支持随机访问（通过索引）
• 支持动态扩容
• 插入/删除效率较低（非尾部操作）

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二、底层数据结构

// JDK 11+
transient Object[] elementData; // 实际存储元素的数组

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三、容量与初始状态

默认构造函数

public ArrayList() {
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

默认初始值为一个空数组，不分配空间，首次添加元素时分配容量。

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指定初始容量

public ArrayList(int initialCapacity) {
    if (initialCapacity > 0) {
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
    }
}

开发中建议：尽量提前估算容量，减少扩容次数

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四、扩容机制核心原理

触发条件：

当新增元素导致 size > elementData.length 时触发扩容。

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扩容策略：

新容量 = 原容量 + (原容量 >> 1) = 原容量 * 1.5

例如：

• 当前容量 10 → 扩容后为 15
• 当前容量 15 → 扩容后为 22

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五、源码详解（以 JDK 8 为例）

添加元素核心方法：

public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1); // 确保有容量
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

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ensureCapacityInternal(int minCapacity)

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}

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ensureExplicitCapacity(int minCapacity)

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++; // fail-fast 标识
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity); // 核心：扩容方法
}

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grow(int minCapacity)

private void grow(int minCapacity) {
    int oldCapacity = elementData.length;
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // 扩容1.5倍

    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity; // 不够就按最小需求扩
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);

    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); // 复制数组
}

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六、最大容量限制

private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

超过该限制会抛出 OutOfMemoryError。

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七、扩容操作的成本

• 使用 Arrays.copyOf() 进行数组复制，时间复杂度为 O(n)
• 多次扩容会引起频繁复制，影响性能

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八、如何避免频繁扩容？

方式一：指定初始容量

List<String> list = new ArrayList<>(1000); // 预估大小

方式二：批量添加前调用 ensureCapacity

list.ensureCapacity(10000); // 批量操作前手动扩容

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九、总结对比：不同初始化方式

构造方式	初始容量	首次添加触发扩容	是否推荐
new ArrayList()	0	是（容量为10）	⚠️ 慎用
new ArrayList(20)	20	否	✅ 推荐
new ArrayList(list)	原容量	否	✅ 推荐

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十、扩容流程图

graph TD
A[add(e)] --> B[ensureCapacityInternal]
B --> C[ensureExplicitCapacity]
C --> D{容量够吗？}
D -- 是 --> E[添加成功]
D -- 否 --> F[grow 扩容]
F --> G[复制新数组]
G --> E

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十一、常见面试题

Q1：ArrayList 每次扩容增长多少？

• 默认是 1.5 倍（即 old + old/2）

Q2：频繁 add 元素时怎么优化？

• 预估大小，构造时指定初始容量
• 或调用 ensureCapacity

Q3：ArrayList 最大能容纳多少元素？

• Integer.MAX_VALUE - 8 ≈ 2^31 - 9

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十二、总结

点位	描述
数据结构	动态数组 Object[]
扩容触发	新增元素导致数组容量不够
扩容增长率	1.5倍
拷贝机制	Arrays.copyOf() 整体复制
最大容量	Integer.MAX_VALUE - 8
性能建议	尽量设定初始容量，避免频繁扩容