Java數組擴容原理

一、數組擴容的概念

在Java中，數組是一種非常常用的數據結構，它可以存儲同一類型的多個元素，但是在實際的應用場景中，我們可能會遇到如下問題：

1. 數組長度不夠，無法存儲所有的元素；

2. 數組長度過長，導致內存的浪費。

針對這些問題，我們需要對數組進行擴容操作，擴容的本質就是新建一個更大的數組，並將原數組中的元素拷貝到新數組中。

二、數組擴容的實現

在Java中，數組擴容的實現通過Arrays.copyOf方法實現，該方法的源碼如下：

public static  T[] copyOf(T[] original, int newLength) {
    return (T[]) copyOf(original, newLength, original.getClass());
}

private static native Object copyOf(Object original, int newLength, Class newType);

從源碼可以看出，該方法可以複製任意類型的數組，需要傳入兩個參數：

1. 原數組；

2. 新數組長度。

該方法返回值為複製後的新數組。

在實際應用中，通常會將原數組的長度翻倍作為新數組的長度，這樣可以提高擴容效率。

三、為什麼數組長度翻倍擴容？

我們知道，在Java中，數組是一段連續的內存空間，如果無法找到足夠的連續內存空間，就無法完成數組的申請。

因此，在擴容數組時，需要重新申請一塊連續的內存空間，並將原數組元素拷貝到新申請的內存空間中。

那麼問題來了，為什麼要將數組長度翻倍擴容？

我們知道，在內存空間中，相鄰的內存單元之間有著一定的關聯性，相鄰的內存單元通常在物理存儲空間上也是連續的。

如果原數組長度為n，則其已經佔用了n個連續的內存單元，而如果需要將其擴容至2n個元素，那麼新數組需要佔用的內存單元至少是2n個。

因此，為了保證新數組佔用連續的內存單元，新數組的長度需要是原數組長度的兩倍。

四、數組擴容的時間複雜度

在Java中，數組擴容的時間複雜度是O(n)，其中n為數組長度。因為數組擴容需要重新創建新數組，並將原數組中的元素拷貝到新數組中，這個過程的時間複雜度是O(n)。

在實際應用中，可以通過設置初始容量來減少數組擴容的次數，從而提高效率。

五、完整代碼示例

import java.util.Arrays;

public class ArrayResizeDemo {

    public static void main(String[] args) {
        int[] array = new int[10];

        // 初始化數組
        for (int i = 0; i < array.length; i++) {
            array[i] = i;
        }

        // 擴容數組
        array = Arrays.copyOf(array, array.length * 2);

        // 輸出擴容後的數組
        for (int i = 0; i < array.length; i++) {
            System.out.print(array[i] + " ");
        }
    }
}

該示例代碼中，首先初始化一個長度為10的數組，然後將其擴容至20，最終輸出擴容後的數組。

從代碼中可以看出，數組擴容的本質就是創建一個新的更大的數組，並將原數組的元素拷貝到新數組中。

六、小結

本篇文章主要介紹了Java數組的擴容原理，分別介紹了數組擴容的概念、實現、為什麼數組長度翻倍擴容、數組擴容的時間複雜度以及完整的代碼示例。

在實際應用中，需要注意數組的擴容次數，通過設置初始容量可以減少數組擴容的次數，從而提高效率。