13. 如何使用 ArrayList 预分配空间来提升性能？

标准答案

ArrayList 通过构造方法 new ArrayList<>(initialCapacity) 预先分配底层数组的空间，可以减少动态扩容的次数，提高插入性能。默认情况下 ArrayList 初始容量为 10，扩容采用 1.5 倍扩展策略，每次扩容会触发数组复制，导致性能损耗。合理设置初始容量 initialCapacity 可以减少扩容开销，提高性能。

答案解析

1. 为什么 ArrayList 需要扩容？

ArrayList 底层使用 动态数组 存储元素，数组的长度是固定的，当元素数量超过数组容量时，必须创建新数组并复制旧数据。

private void grow(int minCapacity) {
    int oldCapacity = elementData.length;
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // 扩容 1.5 倍
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

扩容的性能代价：

• 创建新数组 (O(1))
• 数据复制 (O(n))
• GC 触发（旧数组可能进入垃圾回收）

如果不提前分配足够空间，频繁扩容会导致性能抖动，尤其是在批量插入场景中。

2. 如何预分配空间减少扩容？

方法 1：使用构造方法指定初始容量

List<Integer> list = new ArrayList<>(1000);

• 适用于数据量可预估的场景，例如读取数据库数据、日志批量处理等。
• 避免动态扩容，提升插入性能。

方法 2：使用 ensureCapacity

list.ensureCapacity(5000);

• ensureCapacity(int minCapacity) 可以手动扩容，而不会影响现有数据。
• 适用于动态增长的场景，如批量处理前先扩容，提高插入性能。

3. 预分配容量的性能提升对比

public class ArrayListTest {
    public static void main(String[] args) {
        int size = 10_000_000;

        // 方式 1：不指定初始容量
        long start1 = System.nanoTime();
        List<Integer> list1 = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            list1.add(i);
        }
        long end1 = System.nanoTime();
        System.out.println("未指定初始容量：" + (end1 - start1) / 1_000_000 + " ms");

        // 方式 2：预分配容量
        long start2 = System.nanoTime();
        List<Integer> list2 = new ArrayList<>(size);
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            list2.add(i);
        }
        long end2 = System.nanoTime();
        System.out.println("预分配初始容量：" + (end2 - start2) / 1_000_000 + " ms");
    }
}

测试结果（示例）：

未指定初始容量：300 ms  
预分配初始容量：150 ms  

• 预分配容量后，减少扩容次数，插入效率提升 50%+
• 避免多次数组复制，降低 CPU 与 GC 开销。

常见错误

1. 误认为 ArrayList 默认不会扩容
   • 默认容量 10，超出后会触发扩容。
2. 过度预分配，浪费内存
   • 如果 initialCapacity 设得过大，可能导致内存浪费，影响 GC。

最佳实践

• **小批量数据（<1000 条）：**使用默认构造，避免浪费内存。
• **大批量数据（>10,000 条）：**手动 new ArrayList<>(size) 预分配，提升性能。
• **动态增长数据集：**使用 ensureCapacity() 避免多次扩容。

深入追问

• ArrayList 为什么扩容是 1.5 倍 而不是 2 倍？
• ensureCapacity() 在 JVM 层面 是如何优化的？

相关面试题

• ArrayList 和 LinkedList 在批量插入数据时，哪个更快？
• ArrayList 扩容过程如何影响 GC（垃圾回收）？