1、概念
ArrayList继承了AbstractList，实现了 List ，RandomAccess, Cloneable, Serializable接口，所以他有List的相关功能同时还有动态随机访问、复制和序列化等功能。他的底层是使用数组实现的，所以查询起来相对较快，而插入删除时相对较慢。由于ArrayList里面的方法没有使用synchronized修饰，所以不是线程安全的。
2、空间结构
对象序列化的UID，类序列化时会传入一个serialVersionUID。在反序列化时，JVM会把传来的字节流中的serialVersionUID于本地相应实体类的serialVersionUID进行比较。如果相同说明是一致的，可以进行反序列化，否则会出现反序列化版本一致的异常，即是InvalidCastException。
private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;
默认的初始容量大小为10。
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
一个空的数组实例，如果传进来的size是空，则使用这个空数组
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
默认大小为空的数组实例，如果没传进来初始化size就是用这个空数组。
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
用来装ArrayList元素的数组，所以他底层是使用数组实现。
transient Object[] elementData
集合实际的元素个数，与容量不同。
private int size;
计数器，用于记录对List的修改次数，这里涉及到一个fail-fast快速失败机制，单线程时迭代器遍历集合中remove元素和多线程中一个线程遍历另一个线程remove元素时都会抛出ConcurrentModificationException。因为迭代器遍历时候，内部会将modCount赋给expectedModCount ，当集合结构改变时，modCount会被修改，迭代器每次next()和hahNext()方法都会检查expectedModCount与modCount是否相等，被改变时，抛出ConcurrentModificationException。所以在对集合遍历操作时，建议大家在迭代器中增删元素，不要直接操作集合的remove。引出fail-safe是快速安全机制，在多线程中使用（ConcurrentHashMap中）。任何对集合结构的修改都会在一个复制的集合上进行，因此不会抛出ConcurrentModificationException，但无法保证最终读取的数据是正确的元素，且需要复制集合，开销大。（这个modCount方法中都在用，翻了一会子类父类源码没发现，然后藏在601行）
protected transient int modCount = 0;
三个构造方法：
- 初始化一个指定容量的构造器，直接指定elementData数组的容量，如果容量<0,默认还是用空的实例。
- 初始化一个空的数组，在添加元素时候再对数组elementData扩容。
- 初始化一个集合参数的数组，把集合通过Arrays.copyOf拷到elementData中，容量和指定集合容量相同，如果容量<0,默认还是用空的实例。
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);
}
}
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
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;
}
}
3、常用方法
扩容
大概增加元素时候先判断是否要扩容，然后再判断扩容的大小，默认是扩容1.5倍，但是如果新的长度扩容1.5倍也不能容纳或者扩容得太大，就扩容到需要的容量。
//其他方法先调用此方法看看是否需要扩容
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}
//如果是初始化时没有指定大小，然后调用add方法，默认返回默认大小和当前size+1的最大值
private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
return minCapacity;
}
//如果添加后的实际容量大于当前容量则需要调用grow方法扩容
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
modCount++;
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
//扩容1.5倍后的容量和传入的容量取大值进行扩容，如果新的容量特别大时给Interger最大值或者Integer.MAX_VALUE - 8（搞不懂为啥是-8这样设计）
private void grow(int minCapacity) {
int oldCapacity = elementData.length;
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);
}
//判断容量大时的情况
private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
if (minCapacity < 0)
throw new OutOfMemoryError();
return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
Integer.MAX_VALUE :
MAX_ARRAY_SIZE;
}
//这个方法是专为为DenseIntMapImpl类的extend方法提供。
public void ensureCapacity(int minCapacity) {
int minExpand = (elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)table? 0: DEFAULT_CAPACITY;
if (minCapacity > minExpand) {
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
}
数组元素数量
public int size() {
return size;
}
数组元素数量是否为0
public boolean isEmpty() {
return size == 0;
}
添加元素
传入元素，先判断扩容，然后添加到数组中。
public boolean add(E e) {
ensureCapacityInternal(size + 1);
elementData[size++] = e;
return true;
}
传入index和元素，先判断index在数组中是否存在，然后判断扩容，然后将原数组复制一份，在中间index位置加入element。
public void add(int index, E element) {
rangeCheckForAdd(index);
ensureCapacityInternal(size + 1);
//复制一个数组，把index后得一段整体后移一位。
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
size - index);
elementData[index] = element;
size++;
}
传入集合，先判断容量，然后复制一个数组，把这个集合整体加到原集合后。
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;
}
获取元素
先判断index是否存在，然后返回数组对应下标，可以看出直接从数组随机访问，速度比较快。
public E get(int index) {
rangeCheck(index);
return elementData(index);
}
获取元素索引
返回给定元素第一次出现的位置，没有则返回-1。
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;
}
返回给定元素最后一次出现的位置，没有则返回-1。
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;
}
是否包含指定元素
使用indexOf判断是否包含元素
public boolean contains(Object o) {
return indexOf(o) >= 0;
}
删除元素
传入index，先判断index是否存在，然后判断是否是最后一个元素，如果不是就重新拷贝一个数组，将index后的数组元素都向前移动一个位置，然后把数组得最后一位内存释放出来。
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;
}
传入对象，如果o为空就，就删除所有null的元素，否则删除下标为index的元素。
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;
}
//与remove方法类似
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
}
传入索引的一段范围，删除这段范围内的所有元素。
protected void removeRange(int fromIndex, int toIndex) {
modCount++;
int numMoved = size - toIndex;
System.arraycopy(elementData, toIndex, elementData, fromIndex,
numMoved);
// clear to let GC do its work
int newSize = size - (toIndex-fromIndex);
for (int i = newSize; i < size; i++) {
elementData[i] = null;
}
size = newSize;
}
删除指定元素removeAll和保留指定元素retainAll，都调用的batchRemove函数，通过传入true或者false执行不同的功能（JDK源码有点子巧妙~）。
//删除集合中所有在集合c中出现过的元素。
public boolean removeAll(Collection<?> c) {
Objects.requireNonNull(c);
return batchRemove(c, false);
}
//删除集合中所有没有在c集合中出现过的元素。
public boolean retainAll(Collection<?> c) {
Objects.requireNonNull(c);
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++)
//判断是存入包含的元素还是不包含的元素
if (c.contains(elementData[r]) == complement)
elementData[w++] = elementData[r];
} finally {
//正常情况下r=size是成立的，这里稍微有点不明白，自己理解大概就是出异常的时候将未判断的直接赋值给数组，凑齐数组长度，让w==size,好让后续if (w != size) 不执行，返回false，
if (r != size) {
System.arraycopy(elementData, r,
elementData, w,
size - r);
w += size - r;
}
//如果方法最终w=size,证明没有删除过元素或者出现异常执行了if (r != size)，所以返回false并释放内存
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;
}
复制集合
调用Arrays.copyOf方法进行元素复制。
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);
}
}
将集合转化为数组
public Object[] toArray() {
return Arrays.copyOf(elementData, size);
}
清空集合
把所有值赋为null让gc回收，并把size变为0。
public void clear() {
modCount++;
// clear to let GC do its work
for (int i = 0; i < size; i++)
elementData[i] = null;
size = 0;
}
序列化和反序列化
通过writeObject方法和readObject方法来遍历elementData数组把数组中的元素写入ObjectOutputStream ，ObjectInputStream 中的。因为ArrayList实际上是动态数组，每次在放满以后自动增长设定的长度值，如果数组自动增长长度设为100，而实际只放了一个元素，那就会序列化99个null元素。为了保证在序列化的时候不会将这么多null同时进行序列化，ArrayList把元素数组设置为transient。
private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
throws java.io.IOException{
int expectedModCount = modCount;
s.defaultWriteObject();
s.writeInt(size);
for (int i=0; i<size; i++) {
s.writeObject(elementData[i]);
}
if (modCount != expectedModCount) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
s.defaultReadObject();
s.readInt();
if (size > 0) {
int capacity = calculateCapacity(elementData, size);
SharedSecrets.getJavaOISAccess().checkArray(s, Object[].class, capacity);
ensureCapacityInternal(size);
Object[] a = elementData;
for (int i=0; i<size; i++) {
a[i] = s.readObject();
}
}
}
迭代器
ArrayList的listIterator和iterator实际上是返回ListItr和Itr对象，他是ArrayList通过内部类的方式来实现的。listIterator有previous方法支持前后遍历、迭代过程添加元素等操作。for-each就是Java提供的语法糖，实际上也是通过iterator遍历元素。
在用 for 遍历集合的时候是不可以对集合进行 remove操作的，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。因为在创建迭代器时候会有这么一句代码：
int expectedModCount = modCount;
每当操作集合时，modCount都会自增，而每次iterator调用next方法时都会调用一下代码：
final void checkForComodification() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
判断expectedModCount和modCount是否相等，不相等所以抛出ConcurrentModificationException异常。而iterator自带的remove方法每次都会将modCount重新赋给expectedModCount，所以遍历时删除元素需要使用集合的iterator的remove，以下是ListItr 和Itr的源码：
public ListIterator<E> listIterator(int index) {
if (index < 0 || index > size)
throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index);
return new ListItr(index);
}
public ListIterator<E> listIterator() {
return new ListItr(0);
}
public Iterator<E> iterator() {
return new Itr();
}
private class Itr implements Iterator<E> {
int cursor;
int lastRet = -1;
int expectedModCount = modCount;
Itr() {}
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();
}
}
@Override
@SuppressWarnings("unchecked")
public void forEachRemaining(Consumer<? super E> consumer) {
Objects.requireNonNull(consumer);
final int size = ArrayList.this.size;
int i = cursor;
if (i >= size) {
return;
}
final Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
if (i >= elementData.length) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
while (i != size && modCount == expectedModCount) {
consumer.accept((E) elementData[i++]);
}
// update once at end of iteration to reduce heap write traffic
cursor = i;
lastRet = i - 1;
checkForComodification();
}
final void checkForComodification() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
private class ListItr extends Itr implements ListIterator<E> {
ListItr(int index) {
super();
cursor = index;
}
public boolean hasPrevious() {
return cursor != 0;
}
public int nextIndex() {
return cursor;
}
public int previousIndex() {
return cursor - 1;
}
@SuppressWarnings("unchecked")
public E previous() {
checkForComodification();
int i = cursor - 1;
if (i < 0)
throw new NoSuchElementException();
Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
if (i >= elementData.length)
throw new ConcurrentModificationException();
cursor = i;
return (E) elementData[lastRet = i];
}
public void set(E e) {
if (lastRet < 0)
throw new IllegalStateException();
checkForComodification();
try {
ArrayList.this.set(lastRet, e);
} catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
public void add(E e) {
checkForComodification();
try {
int i = cursor;
ArrayList.this.add(i, e);
cursor = i + 1;
lastRet = -1;
expectedModCount = modCount;
} catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
}
4、总结
- ArrayList 底层基于数组实现的，所以插入或删除元素时，需要移动插入位置之后的所有元素，开销较大，所以适合随机查询，不适合增删多的操作。
- ArrayList初始容量默认为10。扩容机制为首先扩容为原始容量的 1.5 倍再与当前size取最小值，京可能节省开销。但是由于扩容是通过Arrays.copyOf每次创建新的数组，所以创建ArrayList时候尽量传入合适的容量，减小内存开销。
- ArrayList不是线程安全的，所以有modCount的存在，直接修改集合时都会使modCount++，所以遍历ArrayList时删除元素时使用iterator的remove方法，该方法会同步modCount值，避免出现ConcurrentModificationException异常。
