java中ArrayList扩容机制的解析

本文将系统地介绍 Java 中 ArrayList 的扩容机制，包括其初始容量的设置、触发扩容的时机、容量增长算法、扩容的详细流程以及性能优化建议，帮助读者从源码层面深入理解这一关键特性，并在实际开发中合理预分配容量以提升性能。

一、ArrayList 简介

ArrayList 底层由一个可变长度的数组 elementData 支撑，可在运行时动态调整大小，属于顺序表的具体实现，具有随机访问速度快、增删效率相对较低、非线程安全的特点

二、初始化与构造

1. 无参构造器

• 调用 new ArrayList<>() 时，elementData 被赋值为一个空数组常量 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA，此时容量为 0
• 当第一次添加元素时，ensureCapacityInternal(1) 将最小容量 minCapacity 与默认容量 DEFAULT_CAPACITY = 10 比较，最终分配容量为 10

2. 指定初始容量构造器

• 使用 new ArrayList<>(initialCapacity) 会直接分配长度为 initialCapacity 的底层数组，跳过默认容量提升逻辑，可避免第一次添加元素时的数组复制

三、扩容触发时机

• 每次调用 add(E e) 时，都会执行 ensureExplicitCapacity(size + 1)，若 size + 1 超出当前数组长度则触发扩容
• ensureCapacityInternal 会仅在 minCapacity - oldCapacity > 0 时才进行扩容，以避免多余的复制操作

四、扩容算法

• 自 JDK 8 起，容量增长公式为：

  java复制编辑
  int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
  

  即在旧容量基础上增加约 50%。

• 在 JDK 6 及更早版本，采用 (oldCapacity * 3) / 2 + 1 的方式，效果相似。

• 若计算出的 newCapacity 小于 minCapacity，则直接使用 minCapacity；若超过 Integer.MAX_VALUE，则调用 hugeCapacity 调整至可用最大值或抛出 OutOfMemoryError，以防止整数溢出。

五、扩容流程详解

1. 计算最小需求

   • minCapacity = size + 1。

2. 空数组检测

   • 若底层数组为 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA，则将 minCapacity 与 DEFAULT_CAPACITY（10）比较，取较大者。

3. 调用 grow(minCapacity)

   • 读取 oldCapacity = elementData.length。
   • 按扩容算法计算新容量 newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1)。
   • 若 newCapacity < minCapacity，则 newCapacity = minCapacity。
   • 若 newCapacity 超出最大阈值，则经 hugeCapacity(minCapacity) 处理。

4. 数组复制

   • 使用 Arrays.copyOf(elementData, newCapacity) 创建并替换底层数组，实现元素迁移

   • 迭代器快速失败支持

   • 扩容时会自增 modCount，保证在多线程环境下对并发修改的检测与抛出 ConcurrentModificationException。

六、性能优化建议

• 预分配容量：若能预计元素数量，建议使用 new ArrayList<>(expectedSize) 或提前调用 ensureCapacity(expectedSize)，可显著减少扩容次数及数组复制开销 。
• 扩容策略权衡：1.5 倍的增长因子在性能（降低复制频次）与内存利用率（避免过度浪费）之间取得平衡，是常见动态数组设计策略。
• 批量操作：对于大量元素的插入，可先将所有元素聚合至临时数组或使用 addAll(Collection)，以减少多次单个元素添加带来的重复扩容开销.。