ArrayList初始容量的深入研究

一、内部数组大小与初始容量的关系

1、什么是初始容量？

初始容量指的是ArrayList在创建时分配的内部数组大小，也就是能够存储元素的空间大小。通常情况下我们使用不带参数的构造方法来创建ArrayList，这种情况下，初始容量为10。但是，如果我们有提前知道ArrayList中会存储的元素数量，那么在创建时可以通过传入一个整数值来指定初始容量。这样，初始化时就能够自动设置内部数组的大小。

2、内部数组的实际大小是多少？

除非使用带有参数构造函数来指定初始容量，否则ArrayList的内部数组大小始终为10。但是，这个初始容量只是初始值，实际上ArrayList会自动扩容。

3、什么时候会触发自动扩容？

当我们往ArrayList中添加超出容量的元素时，就会触发ArrayList自动扩容。具体来说，它会把当前的内部数组复制到一个更大的数组中，然后继续添加新元素。

    // 通过构造函数指定初始容量
    ArrayList list = new ArrayList(20); 
    // 内部数组大小是多少？
    System.out.println(list.size()); // 输出 0

二、初始容量与性能的关系

1、为什么初始容量重要？

初始容量实际上在ArrayList的性能中扮演着重要的角色。不同的初始容量会影响到ArrayList的性能表现。如果初始容量太小，ArrayList就会频繁地进行扩容操作，影响效率。而如果初始容量太大，将导致内存浪费。

2、如何确定合适的初始容量？

为了避免频繁扩容，我们需要给出一个合适的初始容量。通常，初始容量应该尽可能地接近预期的元素个数以减少内存浪费。一般来说，我们可以通过创建一个稍大于实际元素个数的ArrayList，然后调整其初始容量来实现优化。

3、通过代码测试ArrayList在不同初始容量下的性能：

    // 不同的初始容量对添加性能的影响
    int size = 1000000;
    long start = System.currentTimeMillis();
    ArrayList list1 = new ArrayList(size);
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        list1.add(i);
    }
    long end = System.currentTimeMillis();
    System.out.println("指定初始容量：" + (end - start) + " 毫秒");
    
    start = System.currentTimeMillis();
    ArrayList list2 = new ArrayList();
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        list2.add(i);
    }
    end = System.currentTimeMillis();
    System.out.println("未指定初始容量：" + (end - start) + " 毫秒");

三、初始容量调整的实现原理

1、如何调整初始容量？

调整初始容量的核心方法是ensureCapacity()，通过调用这个方法来设置ArrayList的实际容量。如果我们知道ArrayList中需要多少元素，可以在创建之时指定容量。否则，在添加元素时，每当容量不足时，ArrayList就会自动增加一个“增量”来调整容量。默认情况下，“增量”是当前容量的一半。

2、如何自定义“增量”？

我们可以通过设置ArrayList(int initialCapacity)构造方法中的增量参数来自定义“增量”值。如果我们希望增量增加一倍或者减半，那么只需在创建ArrayList对象时传递一个新的增量参数即可。

3、添加元素时自动调整容量的实现原理：

    // 添加元素时自动增加容量的实现原理
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
    private Object[] elementData;
    private int size;
    
    private void ensureCapacity(int capacity) {
        if (capacity > elementData.length) {
            // 计算新长度
            int newCapacity = elementData.length + (elementData.length >> 1);
            // 如果扩增容量还是不够，就直接扩大容量到需要的大小
            if (newCapacity < capacity) {
                newCapacity = capacity;
            }
            // 复制原数组
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
        }
    }
    
    public boolean add(E e) {
        // 添加元素时自动扩容
        ensureCapacity(size + 1);
        elementData[size] = e;
        size++;
        return true;
    }

四、初始容量与内存开销的关系

1、如何减少内存开销？

随着初始容量的增大，ArrayList占用的内存空间也会增多。因此，如果我们想要降低内存开销，就需要尽可能地减少初始容量。

2、如何查看ArrayList占用的内存空间？

我们可以通过在Java应用程序中使用JProfiler等内存分析工具来查看ArrayList实例占用的内存空间。

3、代码示例：如何比较不同初始容量的内存占用情况：

    // 不同初始容量下内存占用的差异
    Runtime runtime = Runtime.getRuntime();
    long usedMemoryBefore = runtime.totalMemory() - runtime.freeMemory();
    ArrayList list = new ArrayList();
    for (int i = 0; i < 100000; i++) {
        list.add("Element " + i);
    }
    long usedMemoryAfter = runtime.totalMemory() - runtime.freeMemory();
    System.out.println("内存占用：" + (usedMemoryAfter - usedMemoryBefore) + " bytes");
    
    usedMemoryBefore = runtime.totalMemory() - runtime.freeMemory();
    list = new ArrayList(100000);
    for (int i = 0; i < 100000; i++) {
        list.add("Element " + i);
    }
    usedMemoryAfter = runtime.totalMemory() - runtime.freeMemory();
    System.out.println("内存占用：" + (usedMemoryAfter - usedMemoryBefore) + " bytes");

五、总结

本文从各个方面深入阐述了ArrayList的初始容量问题，包括内部数组大小与初始容量的关系、初始容量与性能的关系、初始容量调整的实现原理、初始容量与内存开销的关系。通过深入研究ArrayList的初始容量问题，我们可以更好地使用它，避免无谓的内存浪费，优化程序性能。