ArrayList 封装了一个动态再分配的对象数组，在连续的存储位置上存放对象引用。ArrayList 线程不同步的，由于本质上维护的是数组，所以读取和随机访问的效率非常高，然而，数组和数组列表都有一个重大的缺陷。从数组的中间位置删除或者插入一个元素的时候要付出很大代价，效率很低，因为涉及到所有元素向前（删除）、向后（插入）移动。
ArrayList 是 Java 集合框架中比较常用的数据结构了。继承自 AbstractList，实现了 List 接口。底层基于数组实现容量大小动态变化。允许 null 的存在。同时还实现了 RandomAccess、Cloneable、Serializable 接口，所以ArrayList 是支持快速访问、复制、序列化的。
成员变量
// 指 elementData 中实际有多少个元素，也就是当前集中实际元素个数。 private int size; // 保存 ArrayList 数据的数组，elementData.length 为集合容量，表示最多可以容纳多少个元素。 transient Object[] elementData; // 表示 ArrayList 的默认初始容量大小为 10。 private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10; // 当使用有参构造器的时候，当 initialCapacity 为零时则是把 EMPTY_ELEMENTDATA 赋值给 elementData。区分初始化来源，方便确认如何扩容。 private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {}; // 当使用无参构造函数时是把 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 赋值给 elementData。区分初始化来源，方便确认如何扩容。 private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
// 这个变量是定义在 AbstractList 中的。记录对 List 操作的次数。主要使用是在 Iterator，防止在迭代的过程中集合被修改。 protected transient int modCount = 0;
三种构造方法
无参构造
public ArrayList() { this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA; }
使用构造函数只是给 elementData 赋值了一个空的数组，其实真正是在第一次添加元素时容量扩大至 10 的。
指定初始化大小构造
public ArrayList(int initialCapacity) { if (initialCapacity > 0) { this.elementData = new Object[initialCapacity]; } else if (initialCapacity == 0) { this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA; } else { throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+ initialCapacity); } }
当 initialCapacity 为零时则是把 EMPTY_ELEMENTDATA 赋值给 elementData。 当 initialCapacity 大于零时初始化一个大小为 initialCapacity 的 object 数组并赋值给 elementData。
包含指定集合构造
public ArrayList(Collection<? extends E> c) { Object[] a = c.toArray(); if ((size = a.length) != 0) { if (c.getClass() == ArrayList.class) { elementData = a; } else { elementData = Arrays.copyOf(a, size, Object[].class); } } else { // replace with empty array. elementData = EMPTY_ELEMENTDATA; } }
将 Collection 转化为数组并赋值给 elementData，把 elementData 中元素的个数赋值给 size。如果 size 不为零，则判断 elementData 的 class 类型是否为 Object[ ]，不是的话则做一次转换。如果 size 为零，则把 EMPTY_ELEMENTDATA 赋值给 elementData，相当于new ArrayList(0)。
主要操作方法
新增 add
public boolean add(E e) { ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!! elementData[size++] = e; return true; } private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) { if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) { minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity); } ensureExplicitCapacity(minCapacity); } private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) { modCount++; // overflow-conscious code if (minCapacity - elementData.length > 0) grow(minCapacity); }
每次添加元素到集合中时都会先确认下集合容量大小。然后将 size 增加 1。
ensureCapacityInternal 函数中判断如果 elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 就取 DEFAULT_CAPACITY 和 minCapacity 的最大值也就是 10。这就是 EMPTY_ELEMENTDATA 与 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 的区别所在。同时也验证了使用无参构造函数时是在第一次添加元素时初始化容量为 10 的。
ensureExplicitCapacity 中对 modCount 自增 1，记录操作次数，然后如果 minCapacity 大于 elementData 的长度，则对集合进行扩容。显然第一次添加元素时 elementData 的长度为零，这时候来看看 grow 函数。
private void grow(int minCapacity) { // overflow-conscious code int oldCapacity = elementData.length; int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); 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); } private static int hugeCapacity(int minCapacity) { if (minCapacity < 0) // overflow throw new OutOfMemoryError(); return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ? Integer.MAX_VALUE : MAX_ARRAY_SIZE; } private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
默认将扩容至原来容量的 1.5 倍。即调用的这句：int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);。
但是扩容之后也不一定适用，有可能太小，有可能太大。所以才会有下面两个 if 判断。如果1.5倍太小的话，则将我们所需的容量大小赋值给newCapacity，如果1.5倍太大或者我们需要的容量太大，那就直接拿 newCapacity = (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ? Integer.MAX_VALUE : MAX_ARRAY_SIZE 来扩容。然后将原数组中的数据复制到大小为 newCapacity 的新数组中，并将新数组赋值给 elementData。
这里用到了右移操作，如何理解右移和左移操作呢？
我们以 6 为例，首先将 6 转化为二进制表示成 110，即“0x2的0次幂 + 1x2的1次幂 + 2x2的2次幂 = 0 + 2 + 4 = 6”。
- 右移：110（二进制）向右边移动一位，成 11（二进制），最后一位的 0 移没了，所以二进制 11 表示的是 3
- 左移：110（二进制）向左边移动一位，成 1100（二进制），再最右边加一位 0，所以二进制 1100 表示的是 12
我们发现，可以暂且认为：
- 右移等价于 ÷2，（但是忽略小数，比如 5 右移 1 位就是 2）
- 左移等价于 ×2
public void add(int index, E element) { rangeCheckForAdd(index); ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!! System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index); elementData[index] = element; size++; } public boolean addAll(Collection<? extends E> c) { Object[] a = c.toArray(); int numNew = a.length; ensureCapacityInternal(size + numNew); // Increments modCount System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew); size += numNew; return numNew != 0; } public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) { rangeCheckForAdd(index); Object[] a = c.toArray(); int numNew = a.length; ensureCapacityInternal(size + numNew); // Increments modCount int numMoved = size - index; if (numMoved > 0) System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew, numMoved); System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew); size += numNew; return numNew != 0; }
有以上源码可知，add(int index, E element)，addAll(Collection c)，addAll(int index, Collection c) 操作是都是先对集合容量检查 ，以确保不会数组越界。然后通过 System.arraycopy() 方法将旧数组元素拷贝至一个新的数组中去。
删除 remove
public E remove(int index) { rangeCheck(index); modCount++; E oldValue = elementData(index); 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 return oldValue; } private void rangeCheck(int index) { if (index >= size) throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index)); } public 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; } private 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 }
当我们调用 remove(int index) 时，首先会检查 index 是否合法，然后再判断要删除的元素是否位于数组的最后一个位置。如果 index 不是最后一个，就再次调用 System.arraycopy() 方法拷贝数组。说白了就是将从 index + 1 开始向后所有的元素都向前挪一个位置。然后将数组的最后一个位置空，size - 1。如果 index 是最后一个元素那么就直接将数组的最后一个位置空，size - 1即可。
当我们调用 remove(Object o) 时，会把 o 分为是否为空来分别处理。然后对数组做遍历，找到第一个与 o 对应的下标 index，然后调用 fastRemove 方法，删除下标为 index 的元素。
仔细观察 fastRemove(int index) 方法和 remove(int index) 方法基本全部相同。
获取 get
public E get(int index) { rangeCheck(index); return elementData(index); }
由于 ArrayList 底层是基于数组实现的，所以获取元素就相当简单了，直接调用数组随机访问即可。
迭代器 iterator
在用 for 遍历集合的时候是不可以对集合进行 remove 操作，因为 remove 操作会改变集合的大小。从而容易造成结果不准确甚至数组下标越界，更严重者还会抛出 ConcurrentModificationException。
public static void main(String[] args) { List<String> list = new ArrayList(); list.add("A"); list.add("B"); list.add("C"); list.add("D"); list.add("E"); list.add("F"); for (String i : list) { if ("C".equals(i)) { list.remove(i); } } }
通过控制台信息，看出异常出自 ArrayList 中的内部类 Itr 中的 checkForComodification 方法。我们现在必须要去研究一下 ArrayList 的 Itr 这个东西了。
public Iterator<E> iterator() { return new Itr(); }
private class Itr implements Iterator<E> { int cursor; // index of next element to return int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such int expectedModCount = modCount; public boolean hasNext() { return cursor != size; } @SuppressWarnings("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]; } public void remove() { if (lastRet < 0) throw new IllegalStateException(); checkForComodification(); try { ArrayList.this.remove(lastRet); cursor = lastRet; lastRet = -1; expectedModCount = modCount; } catch (IndexOutOfBoundsException ex) { throw new ConcurrentModificationException(); } } final void checkForComodification() { if (modCount != expectedModCount) throw new ConcurrentModificationException(); } }
从源码可以看出，ArrayList 定义了一个内部类 Itr 实现了 Iterator 接口。在 Itr 内部有三个成员变量：
- cursor：代表下一个要访问的元素下标
- lastRet：代表上一个要访问的元素下标
- expectedModCount：代表对 ArrayList 修改次数的期望值，初始值为 modCount
在 Itr 内部有三个主要的函数：
hasNext 实现比较简单，如果下一个元素的下标等于集合的大小 ，就证明到最后了。
next 方法首先判断 expectedModCount 和modCount 是否相等。然后对 cursor 进行判断，看是否超过集合大小和数组长度。然后将 cursor 赋值给 lastRet ，并返回下标为 lastRet 的元素。最后将 cursor 自增 1。开始时，cursor = 0，lastRet = -1；每调用一次 next 方法， cursor 和 lastRet 都会自增 1。
remove 方法首先会判断 lastRet 的值是否小于 0，然后在检查 expectedModCount 和 modCount 是否相等。接下来是关键，直接调用 ArrayList 的 remove 方法删除下标为 lastRet 的元素。然后将 lastRet 赋值给 cursor ，将 lastRet 重新赋值为 -1，并将 modCount 重新赋值给 expectedModCount。
下面我们一步一步来分析 Itr 的操作。初始状态如上图所示：开始时 cursor 指向下标为 0 的元素，lastRet 指向下标为 -1 的元素，也就是 null。
每调用一次 next，cursor 和 lastRet 就分别会自增 1。当 next 返回 “C” 时，cursor 和 lastRet 分别指向下标 3 和 2。
此时调用 remove，注意是 ArrayList 的 remove，而不是 Itr 的 remove。会将 D E 两个元素直接往前移动一位，最后一位置空，并且 remove 方法会使 modCount 自增 1。
此时 cursor = 3，size = 5，没有到数组末尾，所以循环继续。来到 next 方法，因为上一步的 remove 方法对 modCount 做了修改 ，致使 expectedModCount 与 modCount 不相等，这就是 ConcurrentModificationException 异常的原因所在。
使用迭代器来安全的删除元素：
public static void main(String[] args) { List<String> list = new ArrayList(); list.add("A"); list.add("B"); list.add("C"); list.add("D"); list.add("E"); list.add("F"); Iterator<String> iterator = list.iterator(); while (iterator.hasNext()) { String s = iterator.next(); if ("C".equals(s)) { iterator.remove(); } } System.out.println(list); }
在 iterator.remove() 方法中，增加了 expectedModCount = modCount 操作。但是在使用的时候还是要特别注意：
- 只能进行 remove 操作，add、clear 等 Itr 中没有
- 调用 remove 之前必须先调用 next。因为 remove 开始就对 lastRet 做了校验。而 lastRet 初始化时为 -1。
- next 之后只可以调用一次 remove。因为 remove 会将 lastRet 重新初始化为 -1。
ArrayList 总结
ArrayList 底层基于数组实现容量大小动态可变。 扩容机制为首先扩容为原始容量的 1.5 倍。如果 1.5 倍太小的话，则将我们所需的容量大小赋值给 newCapacity，如果 1.5 倍太大或者我们需要的容量太大，那就直接拿 newCapacity = (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ? Integer.MAX_VALUE : MAX_ARRAY_SIZE 来扩容。 扩容之后是通过数组的拷贝来确保元素的准确性的，所以尽可能减少扩容操作。 ArrayList 的最大存储能力：Integer.MAX_VALUE。 size 为集合中存储的元素的个数。elementData.length 为数组长度，表示最多可以存储多少个元素。 如果需要边遍历边 remove ，必须使用 iterator。且 remove 之前必须先 next，next 之后只能用一次 remove。
