概述
ArrayList 是基于数组实现的，是一个动态数组，其容量能自动增长。ArrayList不是线程同步的，在多线程下可以考虑使用 Collections.synchronizedList 方法将该列表“包装”起来。这最好在创建时完成，以防止意外对列表进行不同步的访问：代码如下：
List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList(...));
继承的父类及实现的接口
ArrayList 继承了 AbstractList 类，此类提供了 List 接口的骨干实现，继承此类的子类适合用于“随机访问”数据存储（如数组），Vector 也是此类的子类。与 AbstractList 类对应的类是 AbstractSequentialList 类，继承该类的子类适合用于“连续访问”数据存储（如链接列表），代表的子类如 LinkedList 。
ArrayList 实现了 List 接口，List 接口通常表示一个列表（数组、队列、链表、栈等），其中的元素可以重复，代表的实现类有 ArrayList、LinkedList、Stack,、Vector。
ArrayList 实现了 RandomAccess 接口，该接口为标记接口，用来表明其支持快速随机访问。
ArrayList 实现了 Cloneable 接口，以指示 Object.clone() 方法可以合法地对该类实例进行按字段复制。
ArrayList 实现了 Serializable 接口，因此它支持序列化，能够通过序列化传输。
源码分析
本文所涉及的源码的 jdk 版本为1.8，我并没有将所有的源码拷贝过来，省略了部分不常用的方法，源码中都加入了比较详细的注释。
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
// 序列版本号
private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;
//默认容量
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
//常量表示一个无参的空数组
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
//常量表是一个带参的空数组
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
//ArrayList基于该数组实现
transient Object[] elementData;
//当前的实际元素个数
private int size;
//用初始容量作为参数的构造方法
public ArrayList(int initialCapacity) {
if (initialCapacity > 0) {
//初始容量大于0,实例化数组
this.elementData = new Object[initialCapacity];
} else if (initialCapacity == 0) {
//初始化等于0，将空数组赋给elementData
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
} else {
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
initialCapacity);
}
}
//无参的构造方法
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
//以Collection集合作为参数的构造方法
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
////返回包含c所有元素的数组
elementData = c.toArray();
if ((size = elementData.length) != 0) {
// c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
if (elementData.getClass() != Object[].class)
//复制指定数组，使elementData具有指定长度
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
} else {
//c中没有元素
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}
}
//将当前容量值设为当前实际元素大小
public void trimToSize()
{
modCount++;
if (size < elementData.length)
{
elementData = (size == 0)? EMPTY_ELEMENTDATA:Arrays.copyOf(elementData, size);
}
}
//将集合的capacit增加minCapacity
public void ensureCapacity(int minCapacity)
{
int minExpand = (elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)?0:DEFAULT_CAPACITY;
if (minCapacity > minExpand)
{
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
}
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity)
{
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)
{
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity)
{
modCount++;
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
private void grow(int minCapacity)
{
int oldCapacity = elementData.length;
//注意此处扩充capacity的方式是将其向右移位再加上原来的数，实际上是扩充了1.5倍
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
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;
}
//返回ArrayList的大小
public int size()
{
return size;
}
//判断ArrayList是否为空
public boolean isEmpty() {
return size == 0;
}
//判断ArrayList中是否包含Object(o)
public boolean contains(Object o) {
return indexOf(o) >= 0;
}
//正向查找，返回ArrayList中元素Object(o)的索引位置
public int indexOf(Object o)
{
if (o == null) {
for (int i = 0; i < size; i++)
if (elementData[i]==null)
return i;
}
else
{
for (int i = 0; i < size; i++)
if (o.equals(elementData[i]))
return i;
}
return -1;
}
//逆向查找，返回返回ArrayList中元素Object(o)的索引位置
public int lastIndexOf(Object o) {
if (o == null) {
for (int i = size-1; i >= 0; i--)
if (elementData[i]==null)
return i;
} else {
for (int i = size-1; i >= 0; i--)
if (o.equals(elementData[i]))
return i;
}
return -1;
}
//返回此 ArrayList实例的浅拷贝。
public Object clone()
{
try
{
ArrayList<?> v = (ArrayList<?>) super.clone();
v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);
v.modCount = 0;
return v;
}
catch (CloneNotSupportedException e) {
// this shouldn't happen, since we are Cloneable
throw new InternalError(e);
}
}
//返回一个包含ArrayList中所有元素的数组
public Object[] toArray() {
return Arrays.copyOf(elementData, size);
}
@SuppressWarnings("unchecked")
public <T> T[] toArray(T[] a) {
if (a.length < size)
return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass());
System.arraycopy(elementData, 0, a, 0, size);
if (a.length > size)
a[size] = null;
return a;
}
@SuppressWarnings("unchecked")
E elementData(int index) {
return (E) elementData[index];
}
//返回至指定索引的值
public E get(int index)
{
rangeCheck(index); //检查给定的索引值是否越界
return elementData(index);
}
//将指定索引上的值替换为新值，并返回旧值
public E set(int index, E element)
{
rangeCheck(index);
E oldValue = elementData(index);
elementData[index] = element;
return oldValue;
}
//将指定的元素添加到此列表的尾部
public boolean add(E e)
{
ensureCapacityInternal(size + 1);
elementData[size++] = e;
return true;
}
// 将element添加到ArrayList的指定位置
public void add(int index, E element) {
rangeCheckForAdd(index);
ensureCapacityInternal(size + 1);
//从指定源数组中复制一个数组，复制从指定的位置开始，到目标数组的指定位置结束。
//arraycopy(被复制的数组, 从第几个元素开始复制, 要复制到的数组, 从第几个元素开始粘贴, 一共需要复制的元素个数)
//即在数组elementData从index位置开始，复制到index+1位置,共复制size-index个元素
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,size - index);
elementData[index] = element;
size++;
}
//删除ArrayList指定位置的元素
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; //将原数组最后一个位置置为null
return oldValue;
}
//移除ArrayList中首次出现的指定元素(如果存在)。
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;
}
//快速删除指定位置的元素
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;
}
//清空ArrayList，将全部的元素设为null
public void clear()
{
modCount++;
for (int i = 0; i < size; i++)
elementData[i] = null;
size = 0;
}
//按照c的迭代器所返回的元素顺序，将c中的所有元素添加到此列表的尾部
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;
}
//从指定位置index开始，将指定c中的所有元素插入到此列表中
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)
//先将ArrayList中从index开始的numMoved个元素移动到起始位置为index+numNew的后面去
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew, numMoved);
//再将c中的numNew个元素复制到起始位置为index的存储空间中去
System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);
size += numNew;
return numNew != 0;
}
//删除fromIndex到toIndex之间的全部元素
protected void removeRange(int fromIndex, int toIndex)
{
modCount++;
//numMoved为删除索引后面的元素个数
int numMoved = size - toIndex;
//将删除索引后面的元素复制到以fromIndex为起始位置的存储空间中去
System.arraycopy(elementData, toIndex, elementData, fromIndex,numMoved);
int newSize = size - (toIndex-fromIndex);
//将ArrayList后面(toIndex-fromIndex)个元素置为null
for (int i = newSize; i < size; i++)
{
elementData[i] = null;
}
size = newSize;
}
//检查索引是否越界
private void rangeCheck(int index)
{
if (index >= size)
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
private void rangeCheckForAdd(int index)
{
if (index > size || index < 0)
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
private String outOfBoundsMsg(int index) {
return "Index: "+index+", Size: "+size;
}
//删除ArrayList中包含在c中的元素
public boolean removeAll(Collection<?> c)
{
Objects.requireNonNull(c);
return batchRemove(c, false);
}
//删除ArrayList中除包含在c中的元素，和removeAll相反
public boolean retainAll(Collection<?> c)
{
Objects.requireNonNull(c); //检查指定对象是否为空
return batchRemove(c, true);
}
private boolean batchRemove(Collection<?> c, boolean complement) {
final Object[] elementData = this.elementData;
int r = 0, w = 0;
boolean modified = false;
try
{
for (; r < size; r++)
if (c.contains(elementData[r]) == complement) //判断c中是否有elementData[r]元素
elementData[w++] = elementData[r];
}
finally
{
if (r != size)
{
System.arraycopy(elementData, r, elementData, w, size - r);
w += size - r;
}
if (w != size)
{
// clear to let GC do its work
for (int i = w; i < size; i++)
elementData[i] = null;
modCount += size - w;
size = w;
modified = true;
}
}
return modified;
}
//将ArrayList的“容量，所有的元素值”都写入到输出流中
private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s) throws java.io.IOException
{
int expectedModCount = modCount;
s.defaultWriteObject();
//写入数组大小
s.writeInt(size);
//写入所有数组的元素
for (int i=0; i<size; i++) {
s.writeObject(elementData[i]);
}
if (modCount != expectedModCount) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
//先将ArrayList的“大小”读出，然后将“所有的元素值”读出
private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
s.defaultReadObject();
s.readInt(); // ignored
if (size > 0) {
// be like clone(), allocate array based upon size not capacity
ensureCapacityInternal(size);
Object[] a = elementData;
// Read in all elements in the proper order.
for (int i=0; i<size; i++) {
a[i] = s.readObject();
}
}
}
}
总结
关于 ArrayList 的源码和使用，给出几点比较重要的总结：
注意扩充容量的方法ensureCapacity。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，如果设置后的新容量还不够，则直接新容量设置为传入的参数（也就是所需的容量），而后用Arrays.copyof()方法将元素拷贝到新的数组（详见下面的第3点）。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。
ArrayList的实现中大量地调用了Arrays.copyof()和System.arraycopy()方法。我们有必要对这两个方法的实现做下深入的了解。</br> 先来看Arrays.copyof()。它有很多个重载的方法，但实现思路都是一样的，我们来看泛型版本的源码：
public static <T> T[] copyOf(T[] original, int newLength) {
return (T[]) copyOf(original, newLength, original.getClass());
}
很明显调用了另一个copyof方法，该方法有三个参数，最后一个参数指明要转换的数据的类型，其源码如下：
public static <T,U> T[] copyOf(U[] original, int newLength, Class<? extends T[]> newType) {
@SuppressWarnings("unchecked")
T[] copy = ((Object)newType == (Object)Object[].class)
? (T[]) new Object[newLength]
: (T[]) Array.newInstance(newType.getComponentType(), newLength);
System.arraycopy(original, 0, copy, 0,
Math.min(original.length, newLength));
return copy;
}
这里可以很明显地看出，该方法实际上是在其内部又创建了一个长度为newlength的数组，调用System.arraycopy()方法，将原来数组中的元素复制到了新的数组中。
下面来看System.arraycopy()方法。该方法被标记了native，调用了系统的C/C++代码，在JDK中是看不到的，但在openJDK中可以看到其源码。该函数实际上最终调用了C语言的memmove()函数，因此它可以保证同一个数组内元素的正确复制和移动，比一般的复制方法的实现效率要高很多，很适合用来批量处理数组。Java强烈推荐在复制大量数组元素时用该方法，以取得更高的效率。
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。
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