ArrayList初始容量的深入研究

一、內部數組大小與初始容量的關係

1、什麼是初始容量？

初始容量指的是ArrayList在創建時分配的內部數組大小，也就是能夠存儲元素的空間大小。通常情況下我們使用不帶參數的構造方法來創建ArrayList，這種情況下，初始容量為10。但是，如果我們有提前知道ArrayList中會存儲的元素數量，那麼在創建時可以通過傳入一個整數值來指定初始容量。這樣，初始化時就能夠自動設置內部數組的大小。

2、內部數組的實際大小是多少？

除非使用帶有參數構造函數來指定初始容量，否則ArrayList的內部數組大小始終為10。但是，這個初始容量只是初始值，實際上ArrayList會自動擴容。

3、什麼時候會觸發自動擴容？

當我們往ArrayList中添加超出容量的元素時，就會觸發ArrayList自動擴容。具體來說，它會把當前的內部數組複製到一個更大的數組中，然後繼續添加新元素。

    // 通過構造函數指定初始容量
    ArrayList list = new ArrayList(20); 
    // 內部數組大小是多少？
    System.out.println(list.size()); // 輸出 0

二、初始容量與性能的關係

1、為什麼初始容量重要？

初始容量實際上在ArrayList的性能中扮演著重要的角色。不同的初始容量會影響到ArrayList的性能表現。如果初始容量太小，ArrayList就會頻繁地進行擴容操作，影響效率。而如果初始容量太大，將導致內存浪費。

2、如何確定合適的初始容量？

為了避免頻繁擴容，我們需要給出一個合適的初始容量。通常，初始容量應該儘可能地接近預期的元素個數以減少內存浪費。一般來說，我們可以通過創建一個稍大於實際元素個數的ArrayList，然後調整其初始容量來實現優化。

3、通過代碼測試ArrayList在不同初始容量下的性能：

    // 不同的初始容量對添加性能的影響
    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、初始容量調整的實現原理

1、如何調整初始容量？

調整初始容量的核心方法是ensureCapacity()，通過調用這個方法來設置ArrayList的實際容量。如果我們知道ArrayList中需要多少元素，可以在創建之時指定容量。否則，在添加元素時，每當容量不足時，ArrayList就會自動增加一個「增量」來調整容量。默認情況下，「增量」是當前容量的一半。

2、如何自定義「增量」？

我們可以通過設置ArrayList(int initialCapacity)構造方法中的增量參數來自定義「增量」值。如果我們希望增量增加一倍或者減半，那麼只需在創建ArrayList對象時傳遞一個新的增量參數即可。

3、添加元素時自動調整容量的實現原理：

    // 添加元素時自動增加容量的實現原理
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
    private Object[] elementData;
    private int size;
    
    private void ensureCapacity(int capacity) {
        if (capacity > elementData.length) {
            // 計算新長度
            int newCapacity = elementData.length + (elementData.length >> 1);
            // 如果擴增容量還是不夠，就直接擴大容量到需要的大小
            if (newCapacity < capacity) {
                newCapacity = capacity;
            }
            // 複製原數組
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
        }
    }
    
    public boolean add(E e) {
        // 添加元素時自動擴容
        ensureCapacity(size + 1);
        elementData[size] = e;
        size++;
        return true;
    }

四、初始容量與內存開銷的關係

1、如何減少內存開銷？

隨著初始容量的增大，ArrayList佔用的內存空間也會增多。因此，如果我們想要降低內存開銷，就需要儘可能地減少初始容量。

2、如何查看ArrayList佔用的內存空間？

我們可以通過在Java應用程序中使用JProfiler等內存分析工具來查看ArrayList實例佔用的內存空間。

3、代碼示例：如何比較不同初始容量的內存佔用情況：

    // 不同初始容量下內存佔用的差異
    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("內存佔用：" + (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("內存佔用：" + (usedMemoryAfter - usedMemoryBefore) + " bytes");

五、總結

本文從各個方面深入闡述了ArrayList的初始容量問題，包括內部數組大小與初始容量的關係、初始容量與性能的關係、初始容量調整的實現原理、初始容量與內存開銷的關係。通過深入研究ArrayList的初始容量問題，我們可以更好地使用它，避免無謂的內存浪費，優化程序性能。