原本以为我能深入解析，源码，发现我还是太native了，，，有很多深入的方法和设计我发现并不是短时间内能理解了，所以还是改为浅析算了。

ArrayList

这里写图片描述

    transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access

    /**
     * The size of the ArrayList (the number of elements it contains).
     *
     * @serial
     */
    private int size;

这里transient 有点意思，可以参见这篇博客Java transient关键字使用小记
首先它的底层是数组，添加元素的时候如果超出当前数组的length就会扩展数组长度,保证add操作的均摊是 $O(1)$ 的这个在算法导论中有分析，与数据结构有关。不过它的扩展策略并不是简单的加倍，而是扩展 $1.5$ 倍，看源码

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);
}
private void grow(int minCapacity) {
        // overflow-conscious code//??
        int oldCapacity = elementData.length;
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);//3*oldCap
        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);
    }

首句很有意思，作者说它的代码是 overflow-conscious code 这里留个坑

第二个地方是 toArray

toArray

public Object[] toArray() {
        return Arrays.copyOf(elementData, size);
    }

@SuppressWarnings("unchecked")
public <T> T[] toArray(T[] a) {
    if (a.length < size)
        // Make a new array of a's runtime type, but my contents:
        return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass());
    System.arraycopy(elementData, 0, a, 0, size);
    if (a.length > size)
        a[size] = null;
    return a;
}

这点在接口中就讲到了，不过当时不涉及它的底层实现，这里可以看到它的具体实现了。也说明了为什么toArray() 方法强制转化会出错，因为返回的实体类型是: Object[], 然而后者不是；不过还是需要说明的是，前者一个一个强制转化类型还是可以的。看下面的代码

List<String> list = new ArrayList<>(Arrays.asList("123","234","ok"));
        Object[] tmp = list.toArray();
        String[] aStrings= new String[tmp.length];
        for(int i=0; i<tmp.length; ++i)
            aStrings[i] = (String) tmp[i];//ok
        String[] xStrings=(String[]) list.toArray();//exception

sublist

public List<E> subList(int fromIndex, int toIndex) {
        subListRangeCheck(fromIndex, toIndex, size);
        return new SubList(this, 0, fromIndex, toIndex);
    }
private class SubList extends AbstractList<E> implements RandomAccess {
        private final AbstractList<E> parent;
        private final int parentOffset;
        private final int offset;
        int size;

        SubList(AbstractList<E> parent,
                int offset, int fromIndex, int toIndex) {
            this.parent = parent;
            this.parentOffset = fromIndex;
            this.offset = offset + fromIndex;
            this.size = toIndex - fromIndex;
            this.modCount = ArrayList.this.modCount;
        }

子列表视图，所谓视图 view 数组还是原来的,不会重新建一个，也就是说，用sublist方法返回的子列表所有操作都是基于ArrayList.this.elementData的，这点可以从上面的方法和Sublist类的构造方法中看出Sublist没有任何持有data的手段。

至此介绍完毕，剩余JDK 8 的内容等以后搬砖用到再说了

LinkedList

这个没有什么好说的，他的底层实现是一个双向链表，并且是没有头结点(国内教材的说法)的双向链表。实现了List和Deque的功能可以说非常强大了。

关于给定index查找那个给定index的元素，这里有一个小小的优化

Node<E> node(int index) {
        // assert isElementIndex(index);
        //优化，常数优化
        if (index < (size >> 1)) {
            Node<E> x = first;
            for (int i = 0; i < index; i++)
                x = x.next;
            return x;
        } else {
            Node<E> x = last;
            for (int i = size - 1; i > index; i--)
                x = x.prev;
            return x;
        }
    }

即只用 $O(n/2)$ 的查找时间，这是一个常数优化。

ArrayDeque

双端队列的数组实现，(JDK 1.6 才有的，作者都变了。。。。) 这和本科数据结构教材中讲的循环队列实现方式一样。简单的说就是

这里写图片描述

用数组来做底层实现，并且 head 和 tail 两端都可以进队或者出队。语义上类似

tail = (tail+1) % n
head = (head-1) % n

用作进队操作。不过实际实现中做了一个模运算的优化，后面我们会谈。整个队列始终保持这样的不变性:


    private void checkInvariants() {
        assert elements[tail] == null;
        assert head == tail ? elements[head] == null :
            (elements[head] != null &&
             elements[(tail - 1) & (elements.length - 1)] != null);
        assert elements[(head - 1) & (elements.length - 1)] == null;
    }

以及 elementData.length = 2^k, 这点在后优化的时候显得尤为重要。接下来谈谈是实现者在模运算上做的优化。

模运算的优化

首先来看看这个数组长度始终维持在 $2^k$ 这里所做的事情

    public ArrayDeque() {
        elements = new Object[16];
    }

    public ArrayDeque(int numElements) {
        allocateElements(numElements);
    }

    public ArrayDeque(Collection<? extends E> c) {
        allocateElements(c.size());
        addAll(c);
    }
    private void allocateElements(int numElements) {
        int initialCapacity = MIN_INITIAL_CAPACITY;
        // Find the best power of two to hold elements.
        // Tests "<=" because arrays aren't kept full.
        //倍增， O(logn) 解决，由于总共32位，这样最多5次移位就ok 
        if (numElements >= initialCapacity) {
            initialCapacity = numElements;
            initialCapacity |= (initialCapacity >>>  1);
            initialCapacity |= (initialCapacity >>>  2);
            initialCapacity |= (initialCapacity >>>  4);
            initialCapacity |= (initialCapacity >>>  8);
            initialCapacity |= (initialCapacity >>> 16);
            initialCapacity++;

            if (initialCapacity < 0)   // Too many elements, must back off
                initialCapacity >>>= 1;// Good luck allocating 2 ^ 30 elements
        }
        elements = new Object[initialCapacity];
    }
    private void doubleCapacity() {
        assert head == tail;
        int p = head;
        int n = elements.length;
        int r = n - p; // number of elements to the right of p
        int newCapacity = n << 1;
        if (newCapacity < 0)
            throw new IllegalStateException("Sorry, deque too big");
        Object[] a = new Object[newCapacity];
        System.arraycopy(elements, p, a, 0, r);
        System.arraycopy(elements, 0, a, r, p);
        elements = a;
        head = 0;
        tail = n;
    }

上面几个函数是数组大小改变的唯一入口，核心的是这个 allocateElements 这里他做了一个优化，用倍增策略在常数时间找到一个数的最小二次幂，这一点我在这篇博文中分析过了 : [java 源码思考] O(1)时间找到一个数的最小二次幂(Find the best power of two)–ArrayDeque 。

那么为什么要用二次幂来作为数组长度呢？

请看队头，队尾的增加策略

    public void addFirst(E e) {
        if (e == null)
            throw new NullPointerException();
        elements[head = (head - 1) & (elements.length - 1)] = e;// 优化模运算带来的开销, head = (head-1) % (length -1)
        if (head == tail)
            doubleCapacity();
    }
    public void addLast(E e) {
        if (e == null)
            throw new NullPointerException();
        elements[tail] = e;
        if ( (tail = (tail + 1) & (elements.length - 1)) == head)// 难怪用2的幂次
            doubleCapacity();
    }
    public E pollFirst() {
        int h = head;
        @SuppressWarnings("unchecked")
        E result = (E) elements[h];
        // Element is null if deque empty
        if (result == null)
            return null;
        elements[h] = null;     // Must null out slot
        head = (h + 1) & (elements.length - 1);
        return result;
    }

    public E pollLast() {
        int t = (tail - 1) & (elements.length - 1);
        @SuppressWarnings("unchecked")
        E result = (E) elements[t];
        if (result == null)
            return null;
        elements[t] = null;
        tail = t;
        return result;
    }

进队出队核心就是上面这4个方法了，其他都是对他的包装。我们可以看到他用位运算代替了模运算。重点看着4句话

 1. elements[head = (head - 1) & (elements.length - 1)] = e;// 优化模运算带来的开销, head = (head-1) % (length -1)
 2. if ( (tail = (tail + 1) & (elements.length - 1)) == head)// 难怪用2的幂次
            doubleCapacity();
 3. head = (h + 1) & (elements.length - 1);
 4. int t = (tail - 1) & (elements.length - 1);

我们知道模运算( $x=(x+1) \% n,x = (x-1)\% n$ )真正起作用仅在 : $x=n-1,x = 0$ , 前者结果为 0后者结果为 $n-1$ ，第二句 $x=(x-1)\%n$ 当 $x=0$ 时起作用，这时相当于 $-1$ & $(elements.length -1)$ , 由于 -1 的补码表示是全一，所以结果为 $ele.length -1$ 与 ele的长度无关，不过后者就有关系了；

$x=(x+1) \% n$ 当 $x=n-1$ 时，此时相当于做了 $n$ & $(n-1)$ 由于 $n=2^k$ 所以结果正好为0。

[Java Collections Framework] 浅析java 集合框架(三) : ArrayList,LinkedList,ArrayDeque源码解析