Java 核心集合擴容機制深度解析：HashMap、ArrayList、StringBuilder 等

Java 核心集合擴容機制深度解析：HashMap、ArrayList、StringBuilder 等

集合與字串類的擴容機制直接影響效能。本文基於 JDK 1.8 源碼，系統分析三大類別的初始容量、擴容觸發條件、擴容倍率與執行緒安全性差異。

第一類：Map/Set 體系 (HashMap、HashSet、Hashtable)

HashMap

• 初始容量：16 (1 << 4)，必須為 2 的冪次
• 最大容量：1 << 30
• 負載因子：0.75f
• 擴容觸發：元素數量 > capacity * loadFactor (首次為 12)
• 擴容倍率：2 倍 (oldCap << 1)
• 關鍵源碼：

  static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // 16
  static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
  static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
  
  if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY && oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
      newThr = oldThr << 1; // threshold 也翻倍

HashSet

• 底層封裝 HashMap，key 存元素、value 固定 PRESENT 物件
• 初始容量、擴容機制完全同 HashMap

Hashtable

• 初始容量：11 (非 2 的冪次)
• 負載因子：0.75f
• 擴容公式：newCapacity = (oldCapacity << 1) + 1 (2倍+1)
• 執行緒安全：所有方法 synchronized
• Key/Value 不可為 null

HashMap vs Hashtable 核心差異

第二類：List 體系 (ArrayList、Vector、CopyOnWriteArrayList)

ArrayList

• 初始容量：10
• 擴容公式：newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1) (1.5倍)
• 執行緒安全：否

Vector

• 初始容量：10
• 擴容公式：有 capacityIncrement 時加增量，否則 2倍
• 執行緒安全：是 (方法 synchronized)

CopyOnWriteArrayList

• 初始容量：0 (空陣列)
• 擴容機制：無自動擴容，每次寫入建立新陣列，長度 = 舊長度 + 新增元素數
• 讀寫分離：讀取舊陣列，寫入新陣列，volatile 保證可見性
• 適用場景：讀多寫少、遍歷頻繁、需無鎖讀取

第三類：字串建構器 (StringBuffer、StringBuilder)

• 共同父類：AbstractStringBuilder (char[] value)
• 初始容量：16
• 擴容邏輯：

  private int newCapacity(int minCapacity) {
      int newCapacity = (value.length << 1) + 2; // 2倍+2
      if (newCapacity - minCapacity < 0)
          newCapacity = minCapacity;
      return (newCapacity < 0) ? Integer.MAX_VALUE : newCapacity;
  }

• 差異：StringBuffer 同步 (執行緒安全)、StringBuilder 非同步 (效能更好，JDK 1.5+ 推薦)

效能優化建議

1. 預估容量：new ArrayList<>(expectedSize)、new HashMap<>(expectedSize)、new StringBuilder(estimatedLength)
2. 避免頻繁擴容：擴容涉及陣列複製 (Arrays.copyOf)，大資料量時極其耗時
3. 選對工具：多執行緒寫入用 ConcurrentHashMap / CopyOnWriteArrayList；單執行緒高頻字串拼接用 StringBuilder