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在Java里集合扩容是如何发生的_Java集合性能机制解析

P粉602998670

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发布时间:2026-01-23 09:11:02

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来源于php中文网

原创

ArrayList扩容在add()时触发:先判断size==elementData.length,满则扩容;首次扩容至10,后续按1.5倍增长,不足则取所需最小容量,超限进hugeCapacity();1.5倍是空间与时间的工程折中;预设容量可避免频繁扩容。

在java里集合扩容是如何发生的_java集合性能机制解析

add() 时怎么触发 ArrayList 扩容?

扩容不是“定时发生”,而是每次调用 add() 时,先检查是否还有空位:如果 size == elementData.length,立刻扩容。注意,size 是当前元素个数,elementData.length 是底层数组长度——两者相等就“满了”,必须搬新家。

  • 首次 add():无参构造的 ArrayList 底层是空数组(DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA),此时直接扩容到默认容量 10,不走 1.5 倍逻辑
  • 后续扩容:按 newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1) 计算,即 ×1.5(如 10→15,15→22,22→33)
  • 但有个硬约束:若算出的 newCapacity 仍小于实际所需最小容量(比如当前 size=10,要加 100 个,minCapacity=110),则直接取 minCapacity,跳过 1.5 倍——这是 addAll() 高效的关键
  • 上限兜底:若新容量超过 Integer.MAX_VALUE - 8(即 MAX_ARRAY_SIZE),会进 hugeCapacity() 处理,防止溢出崩溃

为什么选 1.5 倍而不是 2 倍或 1.1 倍?

这不是拍脑袋定的,是空间与时间的工程权衡结果:

  • 选 2 倍:扩容次数少,但内存浪费严重——比如从 10 扩到 20,只存了 11 个元素,近一半空间闲置;还容易在大容量时触达 JVM 数组长度上限
  • 选 1.1 倍:内存友好,但扩容太频繁——插入 1000 个元素可能触发 40+ 次扩容,每次都要 Arrays.copyOf(),开销叠加成性能瓶颈
  • 1.5 倍折中:均摊下来单次 add() 时间复杂度仍是 O(1),同时避免明显浪费(比如 10→15→22→33→49…,增长平缓可控)

如何避免扩容拖慢性能?

最有效的办法不是改源码,而是“提前说清楚你要装多少”:

  • 知道大概数量?直接用带参构造:new ArrayList(1024),一步到位,零扩容
  • 数据来自外部集合?优先用 new ArrayList(collection) 构造器,它会把 collection.size() 当作初始容量(注意:不是所有 Collectionsize() 都是 O(1),但 ArrayListHashSet 等主流实现都是)
  • 不确定但有下限?用 ensureCapacity(int minCapacity) 主动申请,比如循环前先 list.ensureCapacity(500),比边加边扩更省
  • 别在循环里反复 new ArrayList():对象创建+潜在扩容+GC,三重开销,复用或预分配更稳

扩容时复制数据到底有多贵?

核心代价在 Arrays.copyOf(),本质是 System.arraycopy() —— 它是 JVM 内部优化的本地方法,但仍是 O(n) 时间操作。影响真实性能的关键点常被忽略:

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  • 小数据量(elementData 达到几 MB 甚至几十 MB 时,一次扩容可能卡住几十毫秒,尤其在低延迟服务中会暴露为 P99 尖刺
  • 复制过程会暂停 GC 线程(STW 相关阶段),大数组复制可能触发老年代晋升或 CMS 并发模式失败
  • trimToSize() 虽能缩容,但本身也是 O(n) 复制,只建议在确认“后续几乎不增删”且内存敏感的场景使用(如导出报表后长期持有)
  • 真正的大批量写入(如日志聚合、ETL),应考虑分批提交或切换为 StringBuilderByteBuffer 等更底层的缓冲结构,而非依赖 ArrayList 自动管理

扩容机制看着简单,但它的每一次触发都牵扯内存布局、GC 行为和 CPU 缓存局部性。很多线上 OutOfMemoryError: Java heap space 或 STW 时间飙升,追根溯源就是没预估好初始容量,让 ArrayList 在关键时刻反复“搬家”。

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