一、概述

ArrayList是一种变长的集合类，基于定长数组实现。ArrayList允许空值和重复元素，当往ArrayList中添加的元素数量大于其底层数组容量时，其会通过扩容机制重新生成一个更大的数组。另外，由于ArrayList底层基于数组实现，所以其可以保证在O(1)复杂度下完成随机查找操作。其他方面，ArrayList是非线程安全类，并发环境下，多个线程同时操作ArrayList，会引发不可预知的错误。

ArrayList是大家最为常用的集合类，作为一个变长集合类，其核心是扩容机制。所以只要知道它是怎么扩容的，以及基本的操作是怎样实现就够了。

二、源码分析

2.1 属性

/**
 * 默认容量
 */
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

/**
 * 空数组，如果传入的容量为0时使用
 */
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

/**
 * 空数组，传入容量时使用，添加第一个元素的时候会重新初始为默认容量大小
 */
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

/**
 * 存储元素的数组
 */
transient Object[] elementData;

/**
 * 集合中元素的个数
 */
private int size;

1)、DEFAULT_CAPACITY
默认容量为10，也就是通过new ArrayList()创建时的默认容量。
2)、EMPTY_ELEMENTDATA
空的数组，这种是通过new ArrayList(0)创建时用的是这个空数组。
3)、DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
也是空数组，这种是通过new ArrayList()创建时用的是这个空数组，与EMPTY_ELEMENTDATA的区别是在添加第一个元素时使用这个空数组的会初始化为DEFAULT_CAPACITY(10)个元素。
4)、elementData
真正存放元素的地方，使用transient是为了不序列化这个字段。
5)、size
真正存储元素的个数，而不是elementData数组的长度。

2.2 构造方法

ArrayList有两个构造方法，一个是无参，另一个需传入初始容量值。大家平时最常用的是无参构造方法，相关代码如下：

//指定容量的空List
public ArrayList(int initialCapacity) {
    if (initialCapacity > 0) {
         // 如果传入的初始容量大于0，就新建一个数组存储元素
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
    } else if (initialCapacity == 0) {
        // 如果传入的初始容量等于0，使用空数组EMPTY_ELEMENTDATA
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    } else {
        // 如果传入的初始容量小于0，抛出异常
        throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                           initialCapacity);
    }
}

//空List
public ArrayList() {
    // 如果没有传入初始容量，则使用空数组DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
    // 使用这个数组是在添加第一个元素的时候会扩容到默认大小10
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

//指定集合元素的列表
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
    elementData = c.toArray();
    if ((size = elementData.length) != 0) {
        // 如果elementData类型不是Object数组
        if (elementData.getClass() != Object[].class)
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
    } else {
        // 初始化elementData为空数组
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
}

上面的代码比较简单，前两个构造方法做的事情并不复杂，目的都是初始化底层数组elementData。区别在于无参构造方法会将elementData初始化一个空数组，插入元素时，扩容将会按默认值重新初始化数组。而有参的构造方法则会将elementData初始化为参数值大小（>= 0）的数组。

一般情况下，我们用默认的构造方法即可。倘若在可知道将会向ArrayList插入多少元素的情况下，应该使用有参构造方法。按需分配，避免浪费。

2.3 插入

对于数组（线性表）结构，插入操作分为两种情况。一种是在元素序列尾部插入，另一种是在元素序列其他位置插入。ArrayList的源码里也体现了这两种插入情况，如下：

/** 在元素序列尾部插入 */
public boolean add(E e) {
    //检测是否需要扩容
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    //将新元素插入序列尾部
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

/** 在元素序列 index 位置处插入 */
public void add(int index, E element) {
    //检查是否越界
    rangeCheckForAdd(index);

    //检测是否需要扩容
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    //将 index 及其之后的所有元素都向后移一位
    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                     size - index);
    //将新元素插入至index的位置
    elementData[index] = element;
    size++;
}

对于在元素序列尾部插入，这种情况比较简单，只需两个步骤即可：

1. 检测数组是否有足够的空间插入
2. 将新元素插入至序列尾部

如下图：

如果是在元素序列指定位置（假设该位置合理）插入，则情况稍微复杂一点，需要三个步骤：

1. 检测数组是否有足够的空间
2. 将index及其之后的所有元素向后移一位
3. 将新元素插入至index处

如下图：

从上图可以看出，将新元素插入至序列指定位置，需要先将该位置及其之后的元素都向后移动一位，为新元素腾出位置。这个操作的时间复杂度为O(N)，频繁移动元素可能会导致效率问题，特别是集合中元素数量较多时。在日常开发中，若非所需，我们应当尽量避免在大集合中调用第二个插入方法。

以上是ArrayList插入相关的分析，上面的分析以及配图均未体现扩容机制。那么下面就来简单分析一下ArrayList的扩容机制。对于变长数据结构，当结构中没有空余空间可供使用时，就需要进行扩容。在ArrayList中，当空间用完，其会按照原数组空间的1.5倍进行扩容。相关源码如下：

/** 计算最小容量 */
private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
    // 如果是空数组DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA，就初始化为默认大小10
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    return minCapacity;
}

/** 扩容的入口方法 */
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;

    // overflow-conscious code
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        // 扩容
        grow(minCapacity);
}

/** 扩容的核心方法 */
private void grow(int minCapacity) {
    // overflow-conscious code
    int oldCapacity = elementData.length;
    // 新容量为旧容量的1.5倍
    // newCapacity = oldCapacity + oldCapacity / 2 = oldCapacity * 1.5
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    // 如果新容量发现比需要的容量还小，则以需要的容量为准
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    // 如果新容量已经超过最大容量了，则使用最大容量
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    // 以新容量拷贝出来一个新数组
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
    if (minCapacity < 0) // overflow
        throw new OutOfMemoryError();
    // 如果最小容量超过 MAX_ARRAY_SIZE，则将数组容量扩容至 Integer.MAX_VALUE
    return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
        Integer.MAX_VALUE :
        MAX_ARRAY_SIZE;
}

关于grow方法
1)、检查是否需要扩容；
2)、如果elementData等于DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA则初始化容量大小为DEFAULT_CAPACITY；
3)、新容量是老容量的1.5倍（oldCapacity + (oldCapacity >> 1)），如果加了这么多容量发现比需要的容量还小，则以需要的容量为准；
4)、创建新容量的数组并把老数组拷贝到新数组；

2.4 删除

不同于插入操作，ArrayList没有无参删除方法。所以其只能删除指定位置的元素或删除指定元素，这样就无法避免移动元素（除非从元素序列的尾部删除）。相关代码如下：

/** 删除指定位置的元素 */
public E remove(int index) {
    rangeCheck(index);

    modCount++;
    // 返回被删除的元素值
    E oldValue = elementData(index);

    int numMoved = size - index - 1;
    if (numMoved > 0)
        // 将 index + 1 及之后的元素向前移动一位，覆盖被删除值
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                         numMoved);
    // 将最后一个元素置空，并将 size 值减1                
    elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work

    return oldValue;
}

E elementData(int index) {
    return (E) elementData[index];
}

/** 删除指定元素，若元素重复，则只删除下标最小的元素 */
public boolean remove(Object o) {
    if (o == null) {
        for (int index = 0; index < size; index++)
            if (elementData[index] == null) {
                fastRemove(index);
                return true;
            }
    } else {
        // 遍历数组，查找要删除元素的位置
        for (int index = 0; index < size; index++)
            if (o.equals(elementData[index])) {
                fastRemove(index);
                return true;
            }
    }
    return false;
}

/** 快速删除，不做边界检查，也不返回删除的元素值 */
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
}

上面的删除方法并不复杂，这里以第一个删除方法为例，删除一个元素步骤如下：

1. 获取指定位置index处的元素值
2. 将index + 1及之后的元素向前移动一位
3. 将最后一个元素置空，并将size值减1
4. 返回被删除值，完成删除操作

如下图：

上面就是删除指定位置元素的分析，并不是很复杂。

现在，考虑这样一种情况。我们往ArrayList插入大量元素后，又删除很多元素，此时底层数组会空闲处大量的空间。因为ArrayList没有自动缩容机制，导致底层数组大量的空闲空间不能被释放，造成浪费。对于这种情况，ArrayList也提供了相应的处理方法，如下：

/** 将数组容量缩小至元素数量 */
public void trimToSize() {
    modCount++;
    if (size < elementData.length) {
        elementData = (size == 0)
          ? EMPTY_ELEMENTDATA
          : Arrays.copyOf(elementData, size);
    }
}

通过上面的方法，我们可以手动触发ArrayList的缩容机制。这样就可以释放多余的空间，提高空间利用率。

2.5 遍历

ArrayList实现了RandomAccess接口（该接口是个标志性接口），表明它具有随机访问的能力。ArrayList底层基于数组实现，所以它可在常数阶的时间内完成随机访问，效率很高。对ArrayList进行遍历时，一般情况下，我们喜欢使用foreach循环遍历，但这并不是推荐的遍历方式。ArrayList具有随机访问的能力，如果在一些效率要求比较高的场景下，更推荐下面这种方式：

for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
    list.get(i);
}

至于原因也不难理解，foreach最终会被转换成迭代器遍历的形式，效率不如上面的遍历方式。

2.5.1 关于遍历时删除

遍历时删除是一个不正确的操作，即使有时候代码不出现异常，但执行逻辑也会出现问题。关于这个问题，阿里巴巴Java开发手册里也有所提及。这里引用一下：

【强制】不要在foreach循环里进行元素的remove/add操作。remove元素请使用Iterator方式，如果并发操作，需要对Iterator对象加锁。

相关代码（稍作修改）如下：

List a = new ArrayList();
    a.add("1");
    a.add("2");
    for (String temp : a) {
        System.out.println(temp);
        if("1".equals(temp)){
            a.remove(temp);
        }
    }
}

相信有些朋友应该看过这个，并且也执行过上面的程序。上面的程序执行起来不会虽不会出现异常，但代码执行逻辑上却有问题，只不过这个问题隐藏的比较深。我们把temp变量打印出来，会发现只打印了数字1，2没打印出来。初看这个执行结果确实很让人诧异，不明原因。如果死抠上面的代码，我们很难找出原因，此时需要稍微转换一下思路。我们都知道Java中的foreach是个语法糖，编译成字节码后会被转成用迭代器遍历的方式。所以我们可以把上面的代码转换一下，等价于下面形式：

List a = new ArrayList<>();
a.add("1");
a.add("2");
Iterator it = a.iterator();
while (it.hasNext()) {
    String temp = it.next();
    System.out.println("temp: " + temp);
    if("1".equals(temp)){
        a.remove(temp);
    }
}

这个时候，我们再去分析一下ArrayList的迭代器源码就能找出原因。

private class Itr implements Iterator {
    int cursor;       // index of next element to return
    int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such
    int expectedModCount = modCount;

    public boolean hasNext() {
        return cursor != size;
    }

    @SuppressWarnings("unchecked")
    public E next() {
        // 并发修改检测，检测不通过则抛出异常
        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];
    }

    final void checkForComodification() {
        if (modCount != expectedModCount)
            throw new ConcurrentModificationException();
    }

    // 省略不相关的代码
}

我们一步一步执行一下上面的代码，第一次进入while循环时，一切正常，元素1也被删除了。但删除元素1后，就无法再进入while循环，此时it.hasNext()为false。原因是删除元素1后，元素计数器size = 1，而迭代器中的cursor也等于1，从而导致it.hasNext()返回false。归根结底，上面的代码段没抛异常的原因是，循环提前结束，导致next方法没有机会抛异常。不信的话，大家可以把代码稍微修改一下，即可发现问题：

List a = new ArrayList<>();
a.add("1");
a.add("2");
a.add("3");
Iterator it = a.iterator();
while (it.hasNext()) {
    String temp = it.next();
    System.out.println("temp: " + temp);
    if("1".equals(temp)){
        a.remove(temp);
    }
}

以上是关于遍历时删除的分析，在日常开发中，我们要避免上面的做法。正确的做法使用迭代器提供的删除方法，而不是直接删除。

三、序列化

elementData设置成了transient，那ArrayList是怎么把元素序列化的呢

transient是一个关键字，它的作用为：在不需要序列化的属性前添加transient，每当序列化对象的时候，这个属性就不会被序列化（序列化即是能够解析成字节码）。即不管数组有多大，都不会解析成字节码，不开括空间。

ArrayList里重写了writeObject方法：

private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
        throws java.io.IOException{
    // 防止序列化期间有修改
    int expectedModCount = modCount;
    // 写出非transient非static属性（会写出size属性）
    s.defaultWriteObject();

    // 写出元素个数
    s.writeInt(size);

    for (int i=0; i