从 `tmp.set(i, nums[j])` 发现 ArrayList 初始化方式的差异

引言

在 Java 编程中，ArrayList 是一个非常常用的动态数组实现。然而，在使用它时，我发现了一些让我困惑的现象，尤其是在执行 tmp.set(i, nums[j]) 时，不同的初始化方式竟然导致了完全不同的行为。这让我意识到，我之前对 ArrayList 的 size 和 capacity 存在误解。本文将通过我的经历，总结这两种初始化方式的差异，并澄清 size 和 capacity 的具体含义，希望能帮助其他开发者避免类似的困惑。

问题的背景

我在编写代码时，尝试用 tmp.set(i, nums[j]) 来设置 ArrayList 中的元素，却发现结果出乎意料。我比较了以下两种初始化方式：

1. List<Integer> tmp = Arrays.asList(new Integer[nums.length]);
2. List<Integer> tmp = new ArrayList<>(nums.length);

通过调试，我发现这两种方式在执行 set 操作时的表现截然不同，而原因就藏在 size 和 capacity 的差异中。更让我惊讶的是，我之前误以为 new ArrayList<>(16) 创建了一个可以直接通过 set 操作索引 4 的列表，但事实并非如此。

size 和 capacity 的定义

在 ArrayList 中，size 和 capacity 是两个核心概念，它们含义不同：

• size：表示 ArrayList 中当前实际存储的元素数量。可以用 size() 方法获取。
• capacity：表示 ArrayList 内部数组的容量，也就是在需要扩容之前，数组能容纳的最大元素数量。

初始化时的表现

• 默认构造：new ArrayList<>()

  • size = 0（没有元素）
  • capacity = 10（默认容量）

• 指定容量构造：new ArrayList<>(16)

  • size = 0（仍然没有元素）
  • capacity = 16（内部数组预分配 16 个位置）

• 使用 Arrays.asList：Arrays.asList(new Integer[3])

  • size = 3（列表长度等于数组长度）
  • capacity 不适用（Arrays.asList 返回的是固定大小的列表，不是 ArrayList，没有动态扩容的 capacity 概念）

我的误解

我之前以为，new ArrayList<>(16) 创建了一个容量为 16 的列表后，就可以直接用 tmp.set(4, someValue) 设置索引 4 的元素。然而，当我运行代码时，却抛出了 IndexOutOfBoundsException。原因在于，我混淆了 size 和 capacity：

• new ArrayList<>(16) 只设置了 capacity 为 16，但 size 仍然是 0。
• set(int index, E element) 方法要求 index < size()，而不能依赖 capacity。
• 因为 size 是 0，任何 set 操作都会失败。

这让我意识到，capacity 只是预留空间，而 size 才是决定能否使用 set 的关键。

两种初始化方式的具体差异

为了更清楚地说明问题，我以 nums.length = 3 为例，分析两种初始化方式在执行 tmp.set(i, nums[j]) 时的行为：

1. List<Integer> tmp = Arrays.asList(new Integer[3]);

• 初始状态：

  • size = 3
  • 元素为 [null, null, null]
  • 这是一个固定大小的列表，不能扩容。

• set 操作：

  • 可以执行 tmp.set(0, 10)、tmp.set(1, 20)、tmp.set(2, 30)，因为 size 是 3，索引 0 到 2 都有效。
  • 不能执行 tmp.set(3, 40)，会抛出异常，因为索引超出了 size。

• 限制：

  • 不能用 add 添加新元素，因为列表大小固定。

2. List<Integer> tmp = new ArrayList<>(3);

• 初始状态：

  • size = 0
  • capacity = 3
  • 内部数组为空。

• set 操作：

  • 不能执行 tmp.set(0, 10)，因为 size 是 0，没有任何元素可供修改，会抛出 IndexOutOfBoundsException。

• 解决方法：

  • 需要先用 add 添加元素，例如：

    tmp.add(0); // size = 1
    tmp.add(0); // size = 2
    tmp.add(0); // size = 3
    tmp.set(0, 10); // 现在可以修改
    

  • 添加超过 3 个元素时，capacity 会自动扩展（通常翻倍）。

需求总结：size 和 capacity 的差异

通过这次经历，我总结了在使用 ArrayList 时，如何根据需求选择初始化方式，以及 size 和 capacity 的具体差异：

属性	Arrays.asList(new Integer[n])	new ArrayList<>(n)
size	初始为 n，等于数组长度	初始为 0，需要通过 add 增加
capacity	不适用（固定大小，无扩容机制）	初始为 n，可动态扩容
set 操作	可直接对 0 到 n-1 的索引操作	只能对 0 到 size-1 的索引操作
动态性	固定大小，不能 add 或 remove	动态大小，支持 add 和 remove

适用场景

• 需要固定大小且初始元素为 null：

  • 使用 Arrays.asList(new Integer[nums.length])。
  • 适合直接用 set 修改元素，但不能扩展。

• 需要动态调整大小：

  • 使用 new ArrayList<>(initialCapacity)。
  • 适合通过 add 逐步填充数据，capacity 可根据需要扩容。

注意事项

• set 的限制：只能修改已有元素（index < size），不能用来添加新元素。
• add 的作用：增加 size，并在必要时扩展 capacity。
• 误解澄清：new ArrayList<>(16) 并不意味着可以直接 set 索引 0 到 15 的元素，必须先通过 add 让 size 增长。

结论

通过分析 tmp.set(i, nums[j]) 的行为，我终于厘清了 ArrayList 中 size 和 capacity 的区别。size 是当前元素数量，直接影响 set 操作的有效范围；capacity 是内部数组的容量，影响性能而非功能的可用性。