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ArrayList 的自动扩容机制是其功能强大且灵活的特性之一。当向 ArrayList 中添加元素时，如果当前的数组容量不足以容纳新元素，ArrayList 会自动扩展其底层数组的大小。下面是对这个机制的详细说明。

扩容机制的详解

1. 初始容量：

   • ArrayList 默认的初始容量是 10。如果你在创建 ArrayList 时没有指定初始大小：

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

   • 你也可以在构造时指定初始容量：

     ArrayList<String> list = new ArrayList<>(20); // 初始容量为 20
     

2. 元素添加过程：

   • 当你调用 add() 方法向 ArrayList 添加元素时：

     list.add("element");
     

   • 方法会首先检查当前元素数量（size）和底层数组的长度（elementData.length）：

     if (size == elementData.length) {ensureCapacity(size + 1); // 扩容
     }
     

3. 保证容量：

   • ensureCapacity(int minCapacity) 方法用于确保 ArrayList 能够容纳至少 minCapacity 个元素。
   • 如果元素数量超过当前容量，ensureCapacity 会执行扩容。

4. 扩容算法：

   • 在扩容过程中，ArrayList 通常会将当前容量扩大 1.5 倍：

     int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
     

   • 这个逻辑的意思是，新的容量等于原容量加上原容量的 50%。例如：
     • 如果当前容量是 10，新的容量将是 15。
     • 如果当前容量是 15，新的容量将是 22（15 + 7）。

5. 复制元素：

   • 创建新数组后，ArrayList 会将旧数组中的元素复制到新数组中，通常使用 System.arraycopy() 方法：

     elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
     

自动扩容的示例代码

以下是一个简单示例，说明 ArrayList 如何进行扩容：

import java.util.ArrayList;public class Main {public static void main(String[] args) {ArrayList<String> list = new ArrayList<>();// 添加元素，超过默认容量时会自动扩容for (int i = 0; i < 15; i++) {list.add("Element " + i);System.out.println("Added: Element " + i + " | Size: " + list.size() + " | Capacity: " + getCapacity(list));}}// 反射方法，获取 ArrayList 的底层容量（为了测试）private static int getCapacity(ArrayList<?> list) {try {var field = ArrayList.class.getDeclaredField("elementData");field.setAccessible(true);return ((Object[]) field.get(list)).length;} catch (Exception e) {return -1; // 出错时返回-1}}
}

性能影响

• 时间复杂度：虽然在数组满加载时需要重新分配和复制元素，因此 add() 方法在最坏情况下的时间复杂度为 O(n)（n 是当前容纳的元素数），但在平均情况下，它的时间复杂度是 O(1)（均摊的成本）。

• 空间利用率：扩容时会造成一定的空间浪费。因为在不断扩展的过程中，可能会留下不必要的空闲空间。

总结

ArrayList 的自动扩容机制使得它可以动态调整其容量，以适应不断增长的数据集。了解这一机制有助于更好地利用 ArrayList，选取合适的初始容量并合理管理元素添加，从而提升程序性能。如果你还有其他问题或需要更深入的讨论，请随时问我！