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Java 中 ArrayList 与手动扩容数组的本质区别及性能影响

花韻仙語

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发布时间:2026-01-15 10:52:23

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来源于php中文网

原创

Java 中 ArrayList 与手动扩容数组的本质区别及性能影响

arraylist 本质上是基于动态数组实现的封装类,与手写扩容逻辑在底层原理上相似,但其采用的倍增式扩容策略(如 1.5 倍增长)显著提升了插入操作的摊还时间复杂度(o(1)),而线性扩容(如每次+10)会导致 o(n²) 的最坏性能。两者均在堆内存中存储数据,但 arraylist 还提供泛型支持、接口契约、边界检查等工业级保障。

在 Java 中,ArrayList 和自定义的“手动扩容数组”类(如示例中的 myArrayList)看似仅差在 API 丰富度上,实则存在设计哲学、工程健壮性与算法效率三重关键差异。

一、核心机制相似,但实现质量天壤之别

二者确实都依赖「底层数组 + 容量监控 + 动态扩容」这一基本模型,且所有对象(包括数组本身)均分配在 JVM 堆内存中。但 ArrayList 并非简单“便利封装”,而是经过数十年演进的高度优化实现。以 OpenJDK 为例,其扩容逻辑为:

// 简化示意:实际逻辑更严谨(含最小容量校验、溢出防护等)
private Object[] grow(int minCapacity) {
    int oldCapacity = elementData.length;
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // ≈ 1.5 * oldCapacity
    if (newCapacity - minCapacity < 0) newCapacity = minCapacity;
    return elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

这种几何级扩容(Geometric Resizing) 保证了 N 次 add() 操作的总拷贝次数为 O(N),即摊还时间复杂度为 O(1)。反观示例中每次固定增加 10 个元素的线性扩容:

// 危险的线性扩容(示例代码)
private void increaseArraySize() {
    int[] newArray = new int[array.length + 10]; // ❌ 固定增量
    System.arraycopy(array, 0, newArray, 0, array.length);
    array = newArray;
}

当执行 for (int i = 0; i O(N²) —— 这在生产环境中是不可接受的。

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二、不只是“能用”,更是“正确可用”

ArrayList 实现了 List 接口,严格遵循其契约:

  • set(int index, E element) 要求 index
  • get(int index) 同样校验索引有效性;
  • 支持泛型(ArrayList),编译期类型安全,避免装箱/拆箱误用(对比 myArrayList 硬编码 int,无法复用或扩展);
  • 提供 iterator()、subList()、replaceAll() 等标准集合语义方法,无缝集成 Stream API 与 Collections 工具类。

而手写类若忽略这些细节(如示例中 set() 未实现、get() 无越界检查),极易引发隐蔽 Bug。

三、何时该自己造轮子?—— 答案通常是:不要

除非满足以下全部条件

  • 经过 JMH 基准测试确认 ArrayList 成为明确瓶颈;
  • 需求极度特殊(如超低延迟场景下规避 GC、或需 primitive-specialized 集合);
  • 团队具备 JVM 内存模型与算法分析能力。

此时可考虑成熟第三方库,例如:

  • Trove:提供 TIntArrayList 等原生类型集合,避免 Integer 装箱开销;
  • Eclipse Collections:高性能、富功能的集合库;
  • Java 16+ Arrays.setAll() / Stream.iterate():函数式替代方案。
✅ 最佳实践总结: 优先使用 ArrayList —— 它是经过验证、文档完备、JVM 深度优化的工业级实现; 理解其源码(OpenJDK java.util.ArrayList)是进阶必修课,但目的是“知其所以然”,而非替代; 性能优化永远始于测量(Arthas/JFR/JMH),而非假设。盲目重写基础工具类,99% 的情况只会引入 bug 并降低可维护性。

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