在 C# 中，List 是一个动态数组，其容量会根据需要动态调整以适应添加的元素数量。这种扩容机制通过以下方式实现：

List 的容量与扩容机制

1.容量（Capacity）与计数（Count）

• Capacity: List 内部分配的存储空间（以元素个数为单位）。这是数组的实际长度。
• Count: 当前 List 中存储的元素数量。

List 的 Capacity 初始值可以是默认值（0）或由用户指定。当 Count 超过 Capacity 时，List 会触发扩容。

2.扩容触发机制

当添加新元素时，如果 Count + 1 超过当前 Capacity：

1. 分配一个新的数组，其长度为当前 Capacity 的两倍。如果当前容量为 0，则扩容为默认初始值（通常为 4）。
2. 将现有数组中的元素复制到新数组。
3. 将新数组替换为 List 的内部存储。

3.扩容倍增策略

每次扩容，List 会将容量扩大为之前的 2 倍。这种指数式增长的策略减少了扩容的频率，从而优化性能。

4.手动控制容量

可以通过 List 提供的以下方法控制容量：

• EnsureCapacity: 确保 List 的容量至少为指定值。list.EnsureCapacity(100);
• TrimExcess: 将 Capacity 调整为当前 Count 的大小（如果 Count 足够接近 Capacity）。list.TrimExcess();
• Capacity 属性: 可手动设置容量值。list.Capacity = 50; // 设置容量为 50

代码示例

using System;
using System.Collections.Generic;

class Program
{
    static void Main()
    {
        List numbers = new List();
        
        Console.WriteLine($"Initial Capacity: {numbers.Capacity}");
        
        for (int i = 1; i <= 10; i++)
        {
            numbers.Add(i);
            Console.WriteLine($"Count: {numbers.Count}, Capacity: {numbers.Capacity}");
        }
    }
}

输出示例

Initial Capacity: 0
Count: 1, Capacity: 4
Count: 2, Capacity: 4
Count: 3, Capacity: 4
Count: 4, Capacity: 4
Count: 5, Capacity: 8
Count: 6, Capacity: 8
Count: 7, Capacity: 8
Count: 8, Capacity: 8
Count: 9, Capacity: 16
Count: 10, Capacity: 16

扩容的优点与缺点

优点

• 动态扩容减少了开发者手动管理数组大小的麻烦。
• 扩容机制的指数式增长减少了扩容的频率，从而提升性能。

缺点

• 每次扩容都会重新分配数组和复制数据，可能会引发性能开销（尤其是大数组）。
• 在内存敏感场景中，大量未使用的预留容量可能造成浪费。

优化建议

1. 预估容量:
2. 如果能够预估集合的大小，可以在初始化时设置合适的容量，避免频繁扩容。
3. List numbers = new List(100);
4. 使用 TrimExcess:
5. 在完成所有操作后，调用 TrimExcess 释放多余的容量。
6. numbers.TrimExcess();
7. 使用 EnsureCapacity:
8. 在添加大量元素之前，使用 EnsureCapacity 一次性增加容量。

总结

C# 中 List 的扩容机制通过动态调整容量，使其既具备数组的高效访问特性，又避免了固定大小的限制。通过理解其扩容原理，合理设置容量，可以有效优化性能并减少不必要的内存开销。