概念

ArrayList是一个其容量能够动态增长的动态数组

继承关系图：

源码

我们从源码角度看一下：

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable{
//默认容量大小            
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

//指定ArrayList容量为0时返回该数组
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

//当没有指定ArrayList容量时返回该数组
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

//存放数据
transient Object[] elementData; 

//ArrayList中元素数量
private int size;

总结

• ArrayList的默认容量为10
• ArrayList的底层其实就是一个数组，用elementData数组存放数据

注意：可以看到elementData被transient标识，代表elementData无法被序列化，为什么要这么设置呢？
因为elementData里面不是所有的元素都有数据，因为容量的问题，elementData里面有一些元素是空的，这种是没有必要序列化的。
ArrayList的序列化和反序列化依赖writeObject和readObject方法来实现。可以避免序列化空的元素。

构造器

//构造一个初始容量为10的空数组
public ArrayList() {
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

//构造一个具有初始容量值的空数组
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);
    }
}

//构造一个包含指定元素的数组
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
    elementData = c.toArray();
    if ((size = elementData.length) != 0) {
        // c.toArray 可能不会返回Object[]（注释是这样说的），所以这里要判断一下类型
        if (elementData.getClass() != Object[].class)
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
    } else {
        //如果传入的c长度为0，则替换成空数组
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
}

构造函数很简单，这里就不多说了！

添加

/*
 * 添加元素到集合中
 */
public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);//判断ArrayList是否需要扩容
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

/*判断是否需要扩容——> minCapacity是集合需要的最小容量*/
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}

/*返回添加元素后的容量大小*/
private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
    //首次添加元素时，返回 minCapacity > 10 ? minCapacity : 10 （首次可能使用addAll方法添加大量元素）
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    return minCapacity;
}

/*判断是否需要扩容*/
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;//modCount是继承自AbstractList的变量，用来表示集合被修改的次数
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);
}

/*扩容*/
private void grow(int minCapacity) {
    int oldCapacity = elementData.length;
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);//扩容为原来的1.5倍
    if (newCapacity - minCapacity < 0)//如果扩容后还是小于最小容量，则设置minCapacity为容量大小
        newCapacity = minCapacity;
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)//MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    //调用Arrays.copyOf生成新数组
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
    if (minCapacity < 0)
        throw new OutOfMemoryError();
    return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ? Integer.MAX_VALUE : MAX_ARRAY_SIZE;
}

到目前为止，我们就可以知道add(E e)的基本实现了：
添加元素时，首先去检查一下数组的容量是否足够，如果不够则扩容到原来的1.5倍
扩容后，如果容量还是小于minCapacity，就将容量扩充为minCapacity

那如何在指定位置添加元素呢？很简单，直接看源码吧

/*
 * 在指定位置添加元素
 */
public void add(int index, E element) {
    rangeCheckForAdd(index);//参数校验

    ensureCapacityInternal(size + 1);
    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,size - index);
    elementData[index] = element;
    size++;
}
private void rangeCheckForAdd(int index) {
    if (index > size || index < 0)
        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}

删除

• 删除指定位置元素
• remove(int index)：根据index计算需要左移的元素个数，调用System.arraycopy()生成新数组

/*
 * 删除index索引对象
 */
public E remove(int index) {
    rangeCheck(index);//参数校验

    modCount++;
    E oldValue = elementData(index);

    int numMoved = size - index - 1;//需要左移的个数
    if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,numMoved);
    elementData[--size] = null; //设为null让JVM回收

    return oldValue;//返回旧数据
}

• 删除指定元素
• remove(Object o)：遍历数组后，删除给定元素

/*
 * 删除给定Object对象
 */
public boolean remove(Object o) {
    if (o == null) {//删除null对象-->ArrayList可以存放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;
}
//跳过边界检查，无返回值
private void fastRemove(int index) {
    modCount++;//修改次数+1
    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
}

• 删除给定集合中的元素
• removeAll(Collection<?> c)：把需要移除的数据都替换掉，不需要移除的数据前移

/*
 * 从elementData中移除包含在指定集合中的所有元素
 */
public boolean removeAll(Collection<?> c) {
    Objects.requireNonNull(c);//判空——>if (c == null) throw new NullPointerException();
    return batchRemove(c, false);
}

private boolean batchRemove(Collection<?> c, boolean complement) {
    final Object[] elementData = this.elementData;
    int r = 0, w = 0;
    boolean modified = false;
    try {
        //重点是这一步：把需要移除的数据都替换掉，不需要移除的数据前移
        for (; r < size; r++)
            if (c.contains(elementData[r]) == complement)
                elementData[w++] = elementData[r];//w为最后要保留的元素的数量
    } finally {
        //当遍历过程中抛出异常后，确保未遍历的元素可以接在后面（因为c.contains可能会抛出异常）
        if (r != size) {
            System.arraycopy(elementData, r,elementData, w,size - r);
            w += size - r;
        }
        if (w != size) {
            //GC回收（后面需要保留的元素已经被移到前面来了，所以直接把w后面的元素设为null）
            for (int i = w; i < size; i++)
                elementData[i] = null;
            modCount += size - w;
            size = w;
            modified = true;
        }
    }
    return modified;
}

注意：调用remove删除元素时不会减少容量，若希望减少容量则调用trimToSize()

查找

/*
 * 获取index索引对象
 */
public E get(int index) {
    rangeCheck(index);//参数校验
    return elementData(index);
}
E elementData(int index) {
    return (E) elementData[index];
}

更新

/*
 * 设置index索引对象
 */
public E set(int index, E element) {
    rangeCheck(index);

    E oldValue = elementData(index);
    elementData[index] = element;
    return oldValue;
}

查找和更新逻辑很简单，这里就不多说了

更多

接下来看看其它一些辅助函数

contains

/*
 * 判断集合中是否包含某元素
 */
public boolean contains(Object o) {
    return indexOf(o) >= 0;
}

indexOf

/*
 * 返回指定元素第一次出现的位置（返回-1表示没有此元素）
 * lastIndexOf——>同理（其实就是从后向前遍历）
 */
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;
}

toArray

/*返回Object数组*/
//Java不能对数组进行转型，Integer[] a = (Integer[]) objects会抛出ClassCastException异常，只能一个一个转
public Object[] toArray() {
    return Arrays.copyOf(elementData, size);
}

/*返回给定类型的数组*/
//Integer[] integers = list.toArray(new Integer[list.size()]);
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;
}

迭代器

iterator

public Iterator<E> iterator() {
    return new Itr();
}

Itr是ArrayList的一个内部类

private class Itr implements Iterator<E> {
    int cursor;       // 下次越过的元素索引
    int lastRet = -1; // 上次越过的元素索引
    int expectedModCount = modCount;//预期修改次数

    Itr() {}
    
    /*判断是否有下一个元素*/
    public boolean hasNext() {
        return cursor != size;
    }
    
    /*向后遍历并返回越过的元素*/
    public E next() {
        checkForComodification();//fail-fast机制，不允许在遍历集合时修改元素
        int i = cursor;
        if (i >= size)
            throw new NoSuchElementException();
        Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
        if (i >= elementData.length)
            throw new ConcurrentModificationException();
        cursor = i + 1;//调用next后cursor+1
        return (E) elementData[lastRet = i];//为lastRet赋值——>i为调用next后越过的元素索引
    }
    
    /*删除上次越过的元素（调用remove前要先调用next）*/
    public void remove() {
        if (lastRet < 0) //lastRet 默认为-1
            throw new IllegalStateException();
        checkForComodification();//fail-fast
        try {
            ArrayList.this.remove(lastRet);//调用ArrayList.remove删除元素，这时modCount++
            cursor = lastRet;
            //lastRet 重新设为-1，所以调用remove前要先调用next为lastRet赋值
            lastRet = -1;
            //修改expectedModCount 
            //因此当你需要在遍历时删除元素时，应该使用iterator.remove，而不是list.remove(iterator.next());
            expectedModCount = modCount;
        } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
            throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }
    
    /*操作未遍历的元素*/
    public void forEachRemaining(Consumer<? super E> consumer) {//这里的consumer是指对剩余元素的操作
        Objects.requireNonNull(consumer);//判空
        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();
        }
        //对未遍历的元素进行操作
        while (i != size && modCount == expectedModCount) {
            consumer.accept((E) elementData[i++]);
        }
        cursor = i;
        lastRet = i - 1;
        checkForComodification();
    }
    
    //fail-fast
    final void checkForComodification() {
        if (modCount != expectedModCount)
            throw new ConcurrentModificationException();
    }
}

listIterator

public ListIterator<E> listIterator() {
    return new ListItr(0);
}

ListItr也是ArrayList的一个内部类，它继承了Itr类，新添加了hasPrevious、nextIndex、previousIndex、previous等方法

private class ListItr extends Itr implements ListIterator<E> {//ListIterator<E> extends Iterator<E>
    //new ListItr(n)代表从n开始遍历
    ListItr(int index) {
        super();
        cursor = index;
    }
    
    /*判断是否有上一个元素*/
    public boolean hasPrevious() {
        return cursor != 0;
    }
    
    /*返回下一次越过的元素索引*/
    public int nextIndex() {
        return cursor;
    }
    
    /*返回上一次越过的元素索引*/
    public int previousIndex() {
        return cursor - 1;
    }
    
    /*向前遍历*/
    public E previous() {
        checkForComodification();//fail-fast
        int i = cursor - 1;
        if (i < 0)
            throw new NoSuchElementException();
        Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
        if (i >= elementData.length)
            throw new ConcurrentModificationException();
        cursor = i;//向前遍历-->cursor-1
        return (E) elementData[lastRet = i];//为lastRet赋值并返回越过的元素
    }
    
    /*设置元素*/
    public void set(E e) {
        if (lastRet < 0)//这里也说明了调用set之前要先调用next或previous
            throw new IllegalStateException();
        checkForComodification();//fail-fast
        try {
            ArrayList.this.set(lastRet, e);//调用ArrayList.set方法，这里没有修改modCount
        } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
            throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }
    
    /*添加元素*/    
    public void add(E e) {
        checkForComodification();//fail-fast
        try {
            int i = cursor;
            ArrayList.this.add(i, e);//调用ArrayList.add方法，modCount++
            cursor = i + 1;
            lastRet = -1;
            expectedModCount = modCount;//重新设置expectedModCount 
        } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
            throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }
}

总结

关于ArrayList源码我们就看到这里，如有不当请多指教，对HashMap源码感兴趣的可以看下我另一篇：深入剖析HashMap源码