概述
关于Java集合的小抄中是这样描述的：
以数组实现。节约空间，但数组有容量限制。超出限制时会增加50%容量，用System.arraycopy()复制到新的数组，因此最好能给出数组大小的预估值。默认第一次插入元素时创建大小为10的数组。
按数组下标访问元素—get(i)/set(i,e) 的性能很高，这是数组的基本优势。
直接在数组末尾加入元素—add(e)的性能也高，但如果按下标插入、删除元素—add(i,e), remove(i), remove(e)，则要用System.arraycopy()来移动部分受影响的元素，性能就变差了，这是基本劣势。
ArrayList是一个相对来说比较简单的数据结构，最重要的一点就是它的自动扩容，可以认为就是我们常说的“动态数组”。
来看一段简单的代码：1
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5ArrayList<String> list = new ArrayList<String>();
list.add("语文: 99");
list.add("数学: 98");
list.add("英语: 100");
list.remove(0);
在执行这四条语句时，是这么变化的：
接下来看看几个常用的方法的源码分析。
ArrayList属性
ArrayList属性主要就是当前数组长度size，以及存放数组的对象elementData数组，除此之外还有一个经常用到的属性就是从AbstractList继承过来的modCount属性，代表ArrayList集合的修改次数。1
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18public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, Serializable {
// 序列化id
private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;
// 默认初始的容量
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
// 一个空对象
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = new Object[0];
// 一个空对象，如果使用默认构造函数创建，则默认对象内容默认是该值
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = new Object[0];
// 当前数据对象存放地方，当前对象不参与序列化
transient Object[] elementData;
// 当前数组长度
private int size;
// 数组最大长度
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = 2147483639;
// 省略方法。。
}
构造函数：
ArrayList提供了三种方式的构造器，可以构造一个空列表、构造一个指定初始容量的空列表以及构造一个包含指定collection的元素的列表，这些元素按照该collection的迭代器返回它们的顺序排列的。1
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31// ArrayList带容量大小的构造函数。
public ArrayList(int initialCapacity) {
//创建指定大小的数组
if (initialCapacity > 0) {
this.elementData = new Object[initialCapacity];
//创建空数组
} else if (initialCapacity == 0) {
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
} else {
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
initialCapacity);
}
}
//默认构造函数创建，创建一个空数组
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
// 创建一个包含collection的ArrayList
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
elementData = c.toArray();
if ((size = elementData.length) != 0) {
// c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
if (elementData.getClass() != Object[].class)
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
} else {
// replace with empty array.
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}
}
add方法
当我们在ArrayList中增加元素的时候，会使用add函数。他会将元素放到末尾。具体实现如下：1
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7public boolean add(E e) {
//插入时先看看能不能扩容
ensureCapacityInternal(size + 1);
//放到最后的元素的后面
elementData[size++] = e;
return true;
}
我们可以看到他的实现其实最核心的内容就是ensureCapacityInternal。这个函数其实就是自动扩容机制的核心。我们依次来看一下他的具体实现1
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31private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
//这里用来判断是不是空数组
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
//如果是空数组，则在插入时默认扩容成DEFAULT_CAPACITY=10
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
modCount++;
// 超出数组容量了，扩容之
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}
private void grow(int minCapacity) {
// 旧容量
int oldCapacity = elementData.length;
// 扩展为原来的1.5倍
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
//如果扩容1.5倍，还不够，就用传进来的参数。
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
// minCapacity is usually close to size, so this is a win:
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
也就是说，当增加数据的时候，如果ArrayList的大小已经不满足需求时，那么就将数组变为原长度的1.5倍，之后的操作就是把老的数组拷到新的数组里面。例如，默认的数组大小是10，也就是说当我们add10个元素之后，再进行一次add时，就会发生自动扩容，数组长度由10变为了15具体情况如下所示：
set和get方法
Array的set和get函数就比较简单了，先做index检查，然后执行赋值或访问操作：1
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13public E set(int index, E element) {
rangeCheck(index);
E oldValue = elementData(index);
elementData[index] = element;
return oldValue;
}
public E get(int index) {
rangeCheck(index);
return elementData(index);
}
索引检查1
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5private void rangeCheck(int index) {
//如果索引大于arraylist元素大小，直接爆异常
if (index >= size)
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
contains方法
调用indexOf方法，遍历数组中的每一个元素作对比，如果找到对于的元素，则返回true，没有找到则返回false。1
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3public boolean contains(Object o) {
return indexOf(o) >= 0;
}
1 | public int indexOf(Object o) { |
remove方法
根据索引remove
- 判断索引有没有越界
- 自增修改次数
- 将指定位置（index）上的元素保存到oldValue
- 将指定位置（index）上的元素都往前移动一位
- 将最后面的一个元素置空，好让垃圾回收器回收
- 将原来的值oldValue返回
1 | public E remove(int index) { |
注意：调用这个方法不会缩减数组的长度，只是将最后一个数组元素置空而已。
根据对象remove
循环遍历所有对象，得到对象所在索引位置，然后调用fastRemove方法，执行remove操作1
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16public boolean remove(Object o) {
if (o == null) {
for (int index = 0; index < size; index++)
if (elementData[index] == null) {
fastRemove(index);
return true;
}
} else {
for (int index = 0; index < size; index++)
if (o.equals(elementData[index])) {
fastRemove(index);
return true;
}
}
return false;
}
定位到需要remove的元素索引，先将index后面的元素往前面移动一位（调用System.arraycooy实现），然后将最后一个元素置空。1
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8private void fastRemove(int index) {
modCount++;
int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
numMoved);
elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
}
clear方法
添加操作次数（modCount），将数组内的元素都置空，等待垃圾收集器收集，不减小数组容量。1
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9public void clear() {
modCount++;
// clear to let GC do its work
for (int i = 0; i < size; i++)
elementData[i] = null;
size = 0;
}
sublist方法
我们看到代码中是创建了一个ArrayList 类里面的一个内部类SubList对象，传入的值中第一个参数时this参数，其实可以理解为返回当前list的部分视图，真实指向的存放数据内容的地方还是同一个地方，如果修改了sublist返回的内容的话，那么原来的list也会变动。1
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4public List<E> subList(int arg0, int arg1) {
subListRangeCheck(arg0, arg1, this.size);
return new ArrayList.SubList(this, 0, arg0, arg1);
}
trimToSize方法
- 修改次数加1
- 将elementData中空余的空间（包括null值）去除，例如：数组长度为10，其中只有前三个元素有值，其他为空，那么调用该方法之后，数组的长度变为3.
1 | public void trimToSize() { |
iterator方法
interator方法返回的是一个内部类，由于内部类的创建默认含有外部的this指针，所以这个内部类可以调用到外部类的属性。1
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3public Iterator<E> iterator() {
return new Itr();
}
一般的话，调用完iterator之后，我们会使用iterator做遍历，这里使用next做遍历的时候有个需要注意的地方，就是调用next的时候，可能会引发ConcurrentModificationException，当修改次数，与期望的修改次数（调用iterator方法时候的修改次数）不一致的时候，会发生该异常，详细我们看一下代码实现：1
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12("unchecked")
public E next() {
checkForComodification();
int i = cursor;
if (i >= size)
throw new NoSuchElementException();
Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
if (i >= elementData.length)
throw new ConcurrentModificationException();
cursor = i + 1;
return (E) elementData[lastRet = i];
}
expectedModCount这个值是在用户调用ArrayList的iterator方法时候确定的，但是在这之后用户add，或者remove了ArrayList的元素，那么modCount就会改变，那么这个值就会不相等，将会引发ConcurrentModificationException异常，这个是在多线程使用情况下，比较常见的一个异常。1
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4final void checkForComodification() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
数组拷贝
arraylist插入或删除都会涉及到数组的拷贝。
System.arraycopy 方法
这个方法是个native方法。
| 参数 | 说明 |
|---|---|
| src | 原数组 |
| srcPos | 原数组 |
| dest | 目标数组 |
| destPos | 目标数组的起始位置 |
| length | 要复制的数组元素的数目 |
Arrays.copyOf方法
original - 要复制的数组
newLength - 要返回的副本的长度
newType - 要返回的副本的类型
其实Arrays.copyOf底层也是调用System.arraycopy实现的源码如下：1
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7//基本数据类型（其他类似byte，short···）
public static int[] copyOf(int[] original, int newLength) {
int[] copy = new int[newLength];
System.arraycopy(original, 0, copy, 0,
Math.min(original.length, newLength));
return copy;
}
总结
- ArrayList基于数组实现，可以通过下标索引直接查找到指定位置的元素，因此查找效率高，但每次插入或删除元素，就要大量地移动元素，插入删除元素的效率低。
- 从上面add的方法中并未对null做判断，所以ArrayList中允许元素为null。
- 注意其三个不同的构造方法。无参构造方法构造的ArrayList的容量默认为空（jdk8）在后面添加元素时才会扩容为10。带有Collection参数的构造方法，将Collection转化为数组赋给ArrayList的实现数组elementData。
- 注意扩充容量的方法ensureCapacityInternal。ArrayList在每次增加元素（可能是1个，也可能是一组）时，都要调用该方法来确保足够的容量。当容量不足以容纳当前的元素个数时，就设置新的容量为旧的容量的1.5倍，而后用Arrays.copyof()方法将元素拷贝到新的数组。从中可以看出，当容量不够时，每次增加元素，都要将原来的元素拷贝到一个新的数组中，非常之耗时，也因此建议在事先能确定元素数量的情况下，才使用ArrayList，否则建议使用LinkedList。