【集合框架ArrayList底层扩容机制】

ArrayList 是我们最熟悉的 Java 集合之一，但你是否真正了解它在“幕后”是如何工作的？为什么说它“动态”？扩容机制到底是怎样的？

今天，我们将深入 ArrayList 的源码层面，一步步剖析它的创建、添加、扩容等核心机制。通过这篇解析，你将彻底明白 ArrayList 的“成长”奥秘。

一、ArrayList 的诞生：一个“空”数组的起点

当我们执行 new ArrayList<>() 时，ArrayList 在底层做了什么？

ArrayList<String> list = new ArrayList<>();

核心真相：此时，ArrayList 并没有立即创建一个长度为 10 的数组！相反，它非常“吝啬”，创建了一个长度为 0 的空数组。

这个空数组就是 ArrayList 的核心存储结构，其名字在源码中为 elementData。

// ArrayList 源码中的定义
transient Object[] elementData; // 非私有，以简化嵌套类访问

同时，ArrayList 定义了一个关键的 int 变量：size。

size 变量的双重身份

size 这个变量在 ArrayList 中扮演着至关重要的双重角色：

1. 元素的个数：它代表了当前 ArrayList 中实际存储了多少个元素。
2. 下一个元素的索引：它指向了下一个新元素将要被插入的位置（即索引）。

举个例子：当 size = 0 时，表示集合为空，下一个元素将被添加到索引 0 的位置。

二、成长的第一步：添加第一个元素

当我们调用 list.add("Hello") 时，发生了什么？

1. 检查容量：add 方法首先会检查当前 elementData 数组的容量是否足够容纳新元素。由于 elementData 是一个长度为 0 的空数组，显然容量不足。
2. 触发首次扩容：因为是第一次添加元素，会触发一个特殊的扩容逻辑。此时，ArrayList 会创建一个新的数组，其长度为 DEFAULT_CAPACITY（默认容量，值为 10）。
3. 元素赋值：新元素 "Hello" 被放入新数组的索引 0 位置。
4. size 增长：size 变量从 0 增加到 1。

此时，ArrayList 的内部结构如下：

• elementData：指向一个长度为 10 的新数组。
• size：值为 1。

三、动态扩容的核心：1.5倍的“成长”法则

随着我们不断添加元素，当 size 达到当前 elementData 数组的长度时（即数组“存满”），就迎来了常规扩容。

扩容时机一：单个元素添加导致的扩容

假设我们已经添加了 10 个元素，size 变为 10，数组已满。此时再添加第 11 个元素：

1. 检测到容量不足：add 方法发现 size == elementData.length。
2. 计算新容量：ArrayList 会计算新数组的长度。这个长度是原数组长度的 1.5 倍。
   • 原长度：10
   • 新长度：10 + (10 >> 1) = 10 + 5 = 15
3. 创建新数组并复制：创建一个长度为 15 的新数组，并使用 Arrays.copyOf 将原数组的 10 个元素全部复制到新数组中。
4. 更新引用：elementData 指向这个新的、更大的数组。
5. 添加新元素：将第 11 个元素放入新数组的索引 10 位置。
6. size 更新：size 变为 11。

这个过程会不断重复。当长度为 15 的数组再次装满时，下一次扩容的新长度将是 15 + (15 >> 1) = 15 + 7 = 22。

四、智能扩容：应对“批量添加”的挑战

ArrayList 的扩容机制非常聪明，它能应对一次性添加大量元素的场景。

扩容时机二：批量添加元素（addAll）

假设当前 ArrayList 已经有 10 个元素（size=10），数组长度也为 10（已满）。此时，我们调用 list.addAll(anotherList)，而 anotherList 包含 100 个元素。

如果按照常规的 1.5 倍扩容，新数组长度为 15，但这 15 个位置显然无法容纳接下来要添加的 100 个元素。

ArrayList 如何应对？

1. 计算最小所需容量：ArrayList 会先计算出容纳所有新元素所需的最小容量。
   • 当前 size：10
   • 要添加的元素数：100
   • 最小所需容量：10 + 100 = 110
2. 比较并决策：
   • 常规扩容长度：15
   • 最小所需容量：110
3. 选择更优方案：由于 15 < 110，常规扩容无法满足需求。此时，ArrayList 会放弃 1.5 倍的规则，直接创建一个长度为 110 的新数组。
4. 复制与添加：将原数组的 10 个元素和 anotherList 的 100 个元素全部复制到这个长度为 110 的新数组中。

核心原则：ArrayList 的扩容策略是以实际需求为准。1.5 倍是常规情况下的优化增长，但当批量添加时，它会优先保证新数组的长度至少等于 size + 新增元素个数，避免了因扩容不足而导致的多次复制，极大提升了效率。

五、总结：ArrayList 的成长哲学

通过这次源码级的剖析，我们可以总结出 ArrayList 的核心工作原理：

ArrayList 的“动态”并非魔法，而是通过延迟初始化和智能扩容策略实现的。它用 size 精确管理元素数量和插入位置，用 1.5 倍的优雅增长平衡内存与性能，并在面对批量操作时展现出“以需为本”的智慧。

理解了这些底层机制，你就能更自信地使用 ArrayList，并预判其在不同场景下的行为。