关于 JDK 的集合类的整体介绍可以看这张图，本篇博客我们不系统的介绍整个集合的构造，重点是介绍 ArrayList 类是如何实现的。
1、ArrayList 定义
ArrayList 是一个用数组实现的集合，支持随机访问，元素有序且可以重复。
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
①、实现 RandomAccess 接口
这是一个标记接口，一般此标记接口用于 List 实现，以表明它们支持快速（通常是恒定时间）的随机访问。该接口的主要目的是允许通用算法改变其行为，以便在应用于随机或顺序访问列表时提供良好的性能。
比如在工具类 Collections(这个工具类后面会详细讲解)中，应用二分查找方法时判断是否实现了 RandomAccess 接口：
1 int binarySearch(List<? extends Comparable<? super T>> list, T key) { 2 if (list instanceof RandomAccess || list.size()<BINARYSEARCH_THRESHOLD) 3 return Collections.indexedBinarySearch(list, key); 4 else 5 return Collections.iteratorBinarySearch(list, key); 6 }
②、实现 Cloneable 接口
这个类是 java.lang.Cloneable，前面我们讲解深拷贝和浅拷贝的原理时，我们介绍了浅拷贝可以通过调用 Object.clone() 方法来实现，但是调用该方法的对象必须要实现 Cloneable 接口，否则会抛出 CloneNoSupportException异常。
Cloneable 和 RandomAccess 接口一样也是一个标记接口，接口内无任何方法体和常量的声明，也就是说如果想克隆对象，必须要实现 Cloneable 接口，表明该类是可以被克隆的。
③、实现 Serializable 接口
这个没什么好说的，也是标记接口，表示能被序列化。
④、实现 List 接口
这个接口是 List 类集合的上层接口，定义了实现该接口的类都必须要实现的一组方法，如下所示，下面我们会对这一系列方法的实现做详细介绍。
2、字段属性
//集合的默认大小 private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10; //空的数组实例 private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {}; //这也是一个空的数组实例，和EMPTY_ELEMENTDATA空数组相比是用于了解添加元素时数组膨胀多少 private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {}; //存储 ArrayList集合的元素，集合的长度即这个数组的长度 //1、当 elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 时将会清空 ArrayList //2、当添加第一个元素时，elementData 长度会扩展为 DEFAULT_CAPACITY=10 transient Object[] elementData; //表示集合的长度 private int size;
3、构造函数
1 public ArrayList() { 2 this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA; 3 }
此无参构造函数将创建一个 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 声明的数组，注意此时初始容量是0，而不是大家以为的 10。
注意：根据默认构造函数创建的集合，ArrayList list = new ArrayList();此时集合长度是0.
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); } }
初始化集合大小创建 ArrayList 集合。当大于0时，给定多少那就创建多大的数组；当等于0时，创建一个空数组；当小于0时，抛出异常。
1 public ArrayList(Collection<? extends E> c) { 2 elementData = c.toArray(); 3 if ((size = elementData.length) != 0) { 4 // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652) 5 if (elementData.getClass() != Object[].class) 6 elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class); 7 } else { 8 // replace with empty array. 9 this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA; 10 } 11 }
这是将已有的集合复制到 ArrayList 集合中去。
4、添加元素
通过前面的字段属性和构造函数，我们知道 ArrayList 集合是由数组构成的，那么向 ArrayList 中添加元素，也就是向数组赋值。我们知道一个数组的声明是能确定大小的，而使用 ArrayList 时，好像是能添加任意多个元素，这就涉及到数组的扩容。
扩容的核心方法就是调用前面我们讲过的Arrays.copyOf 方法，创建一个更大的数组，然后将原数组元素拷贝过去即可。下面我们看看具体实现：
public boolean add(E e) { ensureCapacityInternal(size + 1); //添加元素之前，首先要确定集合的大小 elementData[size++] = e; return true; }
如上所示，在通过调用 add 方法添加元素之前，我们要首先调用 ensureCapacityInternal 方法来确定集合的大小，如果集合满了，则要进行扩容操作。
1 private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {//这里的minCapacity 是集合当前大小+1 2 //elementData 是实际用来存储元素的数组，注意数组的大小和集合的大小不是相等的，前面的size是指集合大小 3 ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity)); 4 } 5 private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) { 6 if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {//如果数组为空，则从size+1的值和默认值10中取最大的 7 return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity); 8 } 9 return minCapacity;//不为空，则返回size+1 10 } 11 private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) { 12 modCount++; 13 14 // overflow-conscious code 15 if (minCapacity - elementData.length > 0) 16 grow(minCapacity); 17 }
在 ensureExplicitCapacity 方法中，首先对修改次数modCount加一，这里的modCount给ArrayList的迭代器使用的，在并发操作被修改时，提供快速失败行为（保证modCount在迭代期间不变，否则抛出ConcurrentModificationException异常，可以查看源码865行），接着判断minCapacity是否大于当前ArrayList内部数组长度，大于的话调用grow方法对内部数组elementData扩容，grow方法代码如下：
1 private void grow(int minCapacity) { 2 int oldCapacity = elementData.length;//得到原始数组的长度 3 int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);//新数组的长度等于原数组长度的1.5倍 4 if (newCapacity - minCapacity < 0)//当新数组长度仍然比minCapacity小，则为保证最小长度，新数组等于minCapacity 5 newCapacity = minCapacity; 6 //MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8 = 2147483639 7 if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)//当得到的新数组长度比 MAX_ARRAY_SIZE 大时，调用 hugeCapacity 处理大数组 8 newCapacity = hugeCapacity(minCapacity); 9 //调用 Arrays.copyOf 将原数组拷贝到一个大小为newCapacity的新数组（注意是拷贝引用） 10 elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); 11 } 12 13 private static int hugeCapacity(int minCapacity) { 14 if (minCapacity < 0) // 15 throw new OutOfMemoryError(); 16 return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ? //minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE,则新数组大小为Integer.MAX_VALUE 17 Integer.MAX_VALUE : 18 MAX_ARRAY_SIZE; 19 }
对于 ArrayList 集合添加元素，我们总结一下：
①、当通过 ArrayList() 构造一个空集合，初始长度是为0的，第 1 次添加元素，会创建一个长度为10的数组，并将该元素赋值到数组的第一个位置。
②、第 2 次添加元素，集合不为空，而且由于集合的长度size+1是小于数组的长度10，所以直接添加元素到数组的第二个位置，不用扩容。
③、第 11 次添加元素，此时 size+1 = 11，而数组长度是10，这时候创建一个长度为10+10*0.5 = 15 的数组（扩容1.5倍），然后将原数组元素引用拷贝到新数组。并将第 11 次添加的元素赋值到新数组下标为10的位置。
④、第 Integer.MAX_VALUE - 8 = 2147483639，然后 2147483639%1.5=1431655759（这个数是要进行扩容） 次添加元素，为了防止溢出，此时会直接创建一个 1431655759+1 大小的数组，这样一直，每次添加一个元素，都只扩大一个范围。
⑤、第 Integer.MAX_VALUE - 7 次添加元素时，创建一个大小为 Integer.MAX_VALUE 的数组，在进行元素添加。
⑥、第 Integer.MAX_VALUE + 1 次添加元素时，抛出 OutOfMemoryError 异常。
注意：能向集合中添加 null 的，因为数组可以有 null 值存在。
1 Object[] obj = {null,1}; 2 3 ArrayList list = new ArrayList(); 4 list.add(null); 5 list.add(1); 6 System.out.println(list.size());//2
5、删除元素
①、根据索引删除元素
1 public E remove(int index) { 2 rangeCheck(index);//判断给定索引的范围，超过集合大小则抛出异常 3 4 modCount++; 5 E oldValue = elementData(index);//得到索引处的删除元素 6 7 int numMoved = size - index - 1; 8 if (numMoved > 0)//size-index-1 > 0 表示 0<= index < (size-1),即索引不是最后一个元素 9 //通过 System.arraycopy()将数组elementData 的下标index+1之后长度为 numMoved的元素拷贝到从index开始的位置 10 System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, 11 numMoved); 12 elementData[--size] = null; //将数组最后一个元素置为 null，便于垃圾回收 13 14 return oldValue; 15 }
remove(int index) 方法表示删除索引index处的元素，首先通过 rangeCheck(index) 方法判断给定索引的范围，超过集合大小则抛出异常；接着通过 System.arraycopy 方法对数组进行自身拷贝。关于这个方法的用法可以参考这篇博客。
②、直接删除指定元素
1 public boolean remove(Object o) { 2 if (o == null) {//如果删除的元素为null 3 for (int index = 0; index < size; index++) 4 if (elementData[index] == null) { 5 fastRemove(index); 6 return true; 7 } 8 } else {//不为null，通过equals方法判断对象是否相等 9 for (int index = 0; index < size; index++) 10 if (o.equals(elementData[index])) { 11 fastRemove(index); 12 return true; 13 } 14 } 15 return false; 16 } 17 18 19 private void fastRemove(int index) { 20 modCount++; 21 int numMoved = size - index - 1; 22 if (numMoved > 0) 23 System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, 24 numMoved); 25 elementData[--size] = null; // 26 }
remove(Object o)方法是删除第一次出现的该元素。然后通过System.arraycopy进行数组自身拷贝。
6、修改元素
通过调用 set(int index, E element) 方法在指定索引 index 处的元素替换为 element。并返回原数组的元素。
1 public E set(int index, E element) { 2 rangeCheck(index);//判断索引合法性 3 4 E oldValue = elementData(index);//获得原数组指定索引的元素 5 elementData[index] = element;//将指定所引处的元素替换为 element 6 return oldValue;//返回原数组索引元素 7 }
通过调用 rangeCheck(index) 来检查索引合法性。
private void rangeCheck(int index) { if (index >= size) throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index)); }
当索引为负数时，会抛出 java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException 异常。当索引大于集合长度时，会抛出 IndexOutOfBoundsException 异常。
7、查找元素
①、根据索引查找元素
1 public E get(int index) { 2 rangeCheck(index); 3 4 return elementData(index); 5 }
同理，首先还是判断给定索引的合理性，然后直接返回处于该下标位置的数组元素。
②、根据元素查找索引
1 public int indexOf(Object o) { 2 if (o == null) { 3 for (int i = 0; i < size; i++) 4 if (elementData[i]==null) 5 return i; 6 } else { 7 for (int i = 0; i < size; i++) 8 if (o.equals(elementData[i])) 9 return i; 10 } 11 return -1; 12 }
注意：indexOf(Object o) 方法是返回第一次出现该元素的下标，如果没有则返回 -1。
还有 lastIndexOf(Object o) 方法是返回最后一次出现该元素的下标。
8、遍历集合
①、普通 for 循环遍历
前面我们介绍查找元素时，知道可以通过get(int index)方法，根据索引查找元素，那么遍历同理：
1 ArrayList list = new ArrayList(); 2 list.add("a"); 3 list.add("b"); 4 list.add("c"); 5 for(int i = 0 ; i < list.size() ; i++){ 6 System.out.print(list.get(i)+" "); 7 }
②、迭代器 iterator
先看看具体用法：
1 ArrayList<String> list = new ArrayList<>(); 2 list.add("a"); 3 list.add("b"); 4 list.add("c"); 5 Iterator<String> it = list.iterator(); 6 while(it.hasNext()){ 7 String str = it.next(); 8 System.out.print(str+" "); 9 }
在介绍 ArrayList 时，我们知道该类实现了 List 接口，而 List 接口又继承了 Collection 接口，Collection 接口又继承了 Iterable 接口，该接口有个 Iterator<T> iterator() 方法，能获取 Iterator 对象，能用该对象进行集合遍历，为什么能用该对象进行集合遍历？我们再看看 ArrayList 类中的该方法实现：
1 public Iterator<E> iterator() { 2 return new Itr(); 3 }
该方法是返回一个 Itr 对象，这个类是 ArrayList 的内部类。
1 private class Itr implements Iterator<E> { 2 int cursor; //游标， 下一个要返回的元素的索引 3 int lastRet = -1; // 返回最后一个元素的索引; 如果没有这样的话返回-1. 4 int expectedModCount = modCount; 5 6 //通过 cursor ！= size 判断是否还有下一个元素 7 public boolean hasNext() { 8 return cursor != size; 9 } 10 11 @SuppressWarnings("unchecked") 12 public E next() { 13 checkForComodification();//迭代器进行元素迭代时同时进行增加和删除操作，会抛出异常 14 int i = cursor; 15 if (i >= size) 16 throw new NoSuchElementException(); 17 Object[] elementData = ArrayList.this.elementData; 18 if (i >= elementData.length) 19 throw new ConcurrentModificationException(); 20 cursor = i + 1;//游标向后移动一位 21 return (E) elementData[lastRet = i];//返回索引为i处的元素，并将 lastRet赋值为i 22 } 23 24 public void remove() { 25 if (lastRet < 0) 26 throw new IllegalStateException(); 27 checkForComodification(); 28 29 try { 30 ArrayList.this.remove(lastRet);//调用ArrayList的remove方法删除元素 31 cursor = lastRet;//游标指向删除元素的位置，本来是lastRet+1的，这里删除一个元素，然后游标就不变了 32 lastRet = -1;//lastRet恢复默认值-1 33 expectedModCount = modCount;//expectedModCount值和modCount同步，因为进行add和remove操作，modCount会加1 34 } catch (IndexOutOfBoundsException ex) { 35 throw new ConcurrentModificationException(); 36 } 37 } 38 39 @Override 40 @SuppressWarnings("unchecked") 41 public void forEachRemaining(Consumer<? super E> consumer) {//便于进行forEach循环 42 Objects.requireNonNull(consumer); 43 final int size = ArrayList.this.size; 44 int i = cursor; 45 if (i >= size) { 46 return; 47 } 48 final Object[] elementData = ArrayList.this.elementData; 49 if (i >= elementData.length) { 50 throw new ConcurrentModificationException(); 51 } 52 while (i != size && modCount == expectedModCount) { 53 consumer.accept((E) elementData[i++]); 54 } 55 // update once at end of iteration to reduce heap write traffic 56 cursor = i; 57 lastRet = i - 1; 58 checkForComodification(); 59 } 60 61 //前面在新增元素add() 和 删除元素 remove() 时，我们可以看到 modCount++。修改set() 是没有的 62 //也就是说不能在迭代器进行元素迭代时进行增加和删除操作，否则抛出异常 63 final void checkForComodification() { 64 if (modCount != expectedModCount) 65 throw new ConcurrentModificationException(); 66 } 67 }
注意在进行 next() 方法调用的时候，会进行 checkForComodification() 调用，该方法表示迭代器进行元素迭代时，如果同时进行增加和删除操作，会抛出 ConcurrentModificationException 异常。比如：
1 ArrayList<String> list = new ArrayList<>(); 2 list.add("a"); 3 list.add("b"); 4 list.add("c"); 5 Iterator<String> it = list.iterator(); 6 while(it.hasNext()){ 7 String str = it.next(); 8 System.out.print(str+" "); 9 list.remove(str);//集合遍历时进行删除或者新增操作，都会抛出 ConcurrentModificationException 异常 10 //list.add(str); 11 list.set(0, str);//修改操作不会造成异常 12 }
解决办法是不调用 ArrayList.remove() 方法，转而调用 迭代器的 remove() 方法：
1 Iterator<String> it = list.iterator(); 2 while(it.hasNext()){ 3 String str = it.next(); 4 System.out.print(str+" "); 5 //list.remove(str);//集合遍历时进行删除或者新增操作，都会抛出 ConcurrentModificationException 异常 6 it.remove(); 7 }
注意：迭代器只能向后遍历，不能向前遍历，能够删除元素，但是不能新增元素。
③、迭代器的变种 forEach
1 ArrayList<String> list = new ArrayList<>(); 2 list.add("a"); 3 list.add("b"); 4 list.add("c"); 5 for(String str : list){ 6 System.out.print(str + " "); 7 }
这种语法可以看成是 JDK 的一种语法糖，通过反编译 class 文件，我们可以看到生成的 java 文件，其具体实现还是通过调用 Iterator 迭代器进行遍历的。如下：
1 ArrayList list = new ArrayList(); 2 list.add("a"); 3 list.add("b"); 4 list.add("c"); 5 String str; 6 for (Iterator iterator1 = list.iterator(); iterator1.hasNext(); System.out.print((new StringBuilder(String.valueOf(str))).append(" ").toString())) 7 str = (String)iterator1.next();
④、迭代器 ListIterator
还是先看看具体用法：
1 ArrayList<String> list = new ArrayList<>(); 2 list.add("a"); 3 list.add("b"); 4 list.add("c"); 5 ListIterator<String> listIt = list.listIterator(); 6 7 //向后遍历 8 while(listIt.hasNext()){ 9 System.out.print(listIt.next()+" ");//a b c 10 } 11 12 //向后前遍历,此时由于上面进行了向后遍历，游标已经指向了最后一个元素，所以此处向前遍历能有值 13 while(listIt.hasPrevious()){ 14 System.out.print(listIt.previous()+" ");//c b a 15 }
还能一边遍历，一边进行新增或者删除操作：
1 ArrayList<String> list = new ArrayList<>(); 2 list.add("a"); 3 list.add("b"); 4 list.add("c"); 5 ListIterator<String> listIt = list.listIterator(); 6 7 //向后遍历 8 while(listIt.hasNext()){ 9 System.out.print(listIt.next()+" ");//a b c 10 listIt.add("1");//在每一个元素后面增加一个元素 "1" 11 } 12 13 //向后前遍历,此时由于上面进行了向后遍历，游标已经指向了最后一个元素，所以此处向前遍历能有值 14 while(listIt.hasPrevious()){ 15 System.out.print(listIt.previous()+" ");//1 c 1 b 1 a 16 }
也就是说相比于 Iterator 迭代器，这里的 ListIterator 多出了能向前迭代，以及能够新增元素。下面我们看看具体实现：
对于 Iterator 迭代器，我们查看 JDK 源码，发现还有 ListIterator 接口继承了 Iterator:
public interface ListIterator<E> extends Iterator<E>
该接口有如下方法：
我们看在 ArrayList 类中，有如下方法可以获得 ListIterator 接口：
public ListIterator<E> listIterator() { return new ListItr(0); }
这里的 ListItr 也是一个内部类。
1 //注意 内部类 ListItr 继承了另一个内部类 Itr 2 private class ListItr extends Itr implements ListIterator<E> { 3 ListItr(int index) {//构造函数，进行游标初始化 4 super(); 5 cursor = index; 6 } 7 8 public boolean hasPrevious() {//判断是否有上一个元素 9 return cursor != 0; 10 } 11 12 public int nextIndex() {//返回下一个元素的索引 13 return cursor; 14 } 15 16 public int previousIndex() {//返回上一个元素的索引 17 return cursor - 1; 18 } 19 20 //该方法获取当前索引的上一个元素 21 @SuppressWarnings("unchecked") 22 public E previous() { 23 checkForComodification();//迭代器进行元素迭代时同时进行增加和删除操作，会抛出异常 24 int i = cursor - 1; 25 if (i < 0) 26 throw new NoSuchElementException(); 27 Object[] elementData = ArrayList.this.elementData; 28 if (i >= elementData.length) 29 throw new ConcurrentModificationException(); 30 cursor = i;//游标指向上一个元素 31 return (E) elementData[lastRet = i];//返回上一个元素的值 32 } 33 34 35 public void set(E e) { 36 if (lastRet < 0) 37 throw new IllegalStateException(); 38 checkForComodification(); 39 40 try { 41 ArrayList.this.set(lastRet, e); 42 } catch (IndexOutOfBoundsException ex) { 43 throw new ConcurrentModificationException(); 44 } 45 } 46 47 //相比于迭代器 Iterator ，这里多了一个新增操作 48 public void add(E e) { 49 checkForComodification(); 50 51 try { 52 int i = cursor; 53 ArrayList.this.add(i, e); 54 cursor = i + 1; 55 lastRet = -1; 56 expectedModCount = modCount; 57 } catch (IndexOutOfBoundsException ex) { 58 throw new ConcurrentModificationException(); 59 } 60 } 61 }
9、SubList
在 ArrayList 中有这样一个方法：
1 public List<E> subList(int fromIndex, int toIndex) { 2 subListRangeCheck(fromIndex, toIndex, size); 3 return new SubList(this, 0, fromIndex, toIndex); 4 }
作用是返回从 fromIndex(包括) 开始的下标，到 toIndex(不包括) 结束的下标之间的元素视图。如下：
1 ArrayList<String> list = new ArrayList<>(); 2 list.add("a"); 3 list.add("b"); 4 list.add("c"); 5 6 List<String> subList = list.subList(0, 1); 7 for(String str : subList){ 8 System.out.print(str + " ");//a 9 }
这里出现了 SubList 类，这也是 ArrayList 中的一个内部类。
注意：返回的是原集合的视图，也就是说，如果对 subList 出来的集合进行修改或新增操作，那么原始集合也会发生同样的操作。
1 ArrayList<String> list = new ArrayList<>(); 2 list.add("a"); 3 list.add("b"); 4 list.add("c"); 5 6 List<String> subList = list.subList(0, 1); 7 for(String str : subList){ 8 System.out.print(str + " ");//a 9 } 10 subList.add("d"); 11 System.out.println(subList.size());//2 12 System.out.println(list.size());//4,原始集合长度也增加了
想要独立出来一个集合，解决办法如下：
List<String> subList = new ArrayList<>(list.subList(0, 1));
10、size()
public int size() { return size; }
注意：返回集合的长度，而不是数组的长度，这里的 size 就是定义的全局变量。
11、isEmpty()
1 public boolean isEmpty() { 2 return size == 0; 3 }
返回 size == 0 的结果。
12、trimToSize()
1 public void trimToSize() { 2 modCount++; 3 if (size < elementData.length) { 4 elementData = Arrays.copyOf(elementData, size); 5 } 6 }
该方法用于回收多余的内存。也就是说一旦我们确定集合不在添加多余的元素之后，调用 trimToSize() 方法会将实现集合的数组大小刚好调整为集合元素的大小。
注意：该方法会花时间来复制数组元素，所以应该在确定不会添加元素之后在调用。
参考文档：https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/util/ArrayList.html#
