深入理解 ArrayList

1. ArrayList 概述

1.1 什么是 ArrayList

ArrayList 是 Java 集合框架中的一个类，它实现了动态数组的数据结构。与普通数组相比，ArrayList 具有动态调整大小的能力，使得我们可以轻松地进行元素的插入和删除。

1.2 关键特性

• 动态数组： 能够自动调整大小，根据需要动态分配内存。

• 快速随机访问： 可以通过索引迅速访问元素，具有常数时间的随机访问性能。

• 实现了 List 接口： 提供了与列表相关的所有操作。

2. ArrayList 的动态扩容机制

2.1 初始容量

ArrayList 在初始化时会分配一块初始容量的内存，这个容量通常为 10。初始容量的选择是一个折中，既要保证足够的空间，又要避免浪费内存。

2.2 添加元素时的扩容

当往 ArrayList 中添加元素时，会首先检查当前元素个数是否已经达到了容量。如果已经达到，就需要进行扩容。

2.2.1 新容量的计算

新容量一般是旧容量的 1.5 倍。这是通过以下代码计算的：

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

2.2.2 数据迁移

然后，将旧数组中的元素复制到新数组中。这个过程涉及数组的复制和内存的分配，是相对耗时的操作。

// 模拟数组复制
Object[] newElementData = new Object[newCapacity];
System.arraycopy(elementData, 0, newElementData, 0, size);
elementData = newElementData;

2.3 扩容的优化

为了避免每次添加元素都触发扩容操作，可以在创建 ArrayList 时通过构造函数指定初始容量，使其足够大以容纳预期的元素数量。

ArrayList<String> list = new ArrayList<>(100); // 指定初始容量为 100

3. ArrayList 的性能考虑

3.1 扩容的代价

尽管 ArrayList 提供了动态扩容的机制，但频繁的扩容会带来性能问题。因此，在能预知元素数量的情况下，最好在创建时就指定一个合适的初始容量。

3.2 避免使用中间位置插入和删除

由于数组是一种顺序存储结构，如果在中间位置插入或删除元素，后续的元素都需要移动，这样的操作效率较低。

4. ArrayList 的最佳实践

4.1 提前规划容量

在创建 ArrayList 时，如果能够预知元素的数量，最好提前规划好初始容量，避免动态扩容的频繁发生。

4.2 批量操作

在批量操作时，如添加一组元素，可以使用 addAll 方法，它在一次扩容操作中添加了多个元素，相比于多次添加单个元素，效率更高。

List<String> newElements = Arrays.asList("A", "B", "C");
list.addAll(newElements)                                                                                          ;