Java集合框架之一：ArrayList源码分析
版权声明：本文为博主原创文章，转载请注明出处，欢迎交流学习！
ArrayList底层维护的是一个动态数组，每个ArrayList实例都有一个容量。该容量是指用来存储列表元素的数组的大小。它总是至少等于列表的大小。随着向 ArrayList 中不断添加元素，其容量也自动增长。
ArrayList不是同步的（也就是说不是线程安全的），如果多个线程同时访问一个ArrayList实例，而其中至少一个线程从结构上修改了列表，那么它必须保持外部同步，在多线程环境下，可以使用Collections.synchronizedList方法声明一个线程安全的ArrayList，例如：
List arraylist = Collections.synchronizedList(new ArrayList());
下面通过ArrayList的源码来分析其原理。
1、ArrayList的构造方法：ArrayList提供了三种不同的构造方法
1) ArrayList()，构造一个初始容量为 10 的空列表。
2) ArrayList(int initialCapacity)，构造一个具有指定初始容量的空列表。
3) ArrayList(Collection<? extends E> c)，构造一个包含指定 collection 的元素的列表，这些元素是按照该 collection 的迭代器返回它们的顺序排列的。
源码如下：
private transient Object[] elementData;
public ArrayList(int initialCapacity) {
super();
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+ initialCapacity);
this.elementData = new Object[initialCapacity]; //生成一个长度为10的Object类型的数组
}
public ArrayList() {
this(10); //调用ArrayList(int i)
}
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
elementData = c.toArray(); //返回包含此 collection 中所有元素的数组
size = elementData.length;
// c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
if (elementData.getClass() != Object[].class)
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class); //复制指定的数组，返回包含相同元素和长度的Object类型的数组
}
当采用不带参数的构造方法ArrayList()生成一个集合对象时，其实是在底层调用ArrayList(int initialCapacity)这一构造方法生产一个长度为10的Object类型的数组。当采用带有集合类型参数的构造方法时，在底层生成一个包含相同的元素和长度的Object类型的数组。
2、add方法：ArrayList提供了两种添加元素的add方法
1) add(E e)，将指定的元素添加到此列表的尾部。
2) add(int index, E e)，将指定的元素插入此列表中的指定位置。向右移动当前位于该位置的元素（如果有）以及所有后续元素（将其索引加 1）。
public boolean add(E e) {
ensureCapacity(size + 1); // 扩大数组容量
elementData[size++] = e; //将元素e添加到下标为size的Object数组中，并且执行size++
return true;
}
public void add(int index, E element) {
if (index > size || index < 0) //如果指定要插入的数组下标超过数组容量或者指定的下标小于0，抛异常
throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+", Size: "+size);
ensureCapacity(size+1); // 扩大数组容量
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,size - index); //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。
// elementData --- 源数组 index --- 源数组中的起始位置
// elementData --- 目标数组 index+1 --- 目标数组中的起始位置
// size - index --- 要复制的数组元素的数量
elementData[index] = element; //将要添加的元素放到指定的数组下标处
size++;
}
public void ensureCapacity(int minCapacity) {
modCount++;
int oldCapacity = elementData.length; //原数组的容量
if (minCapacity > oldCapacity) {
Object oldData[] = elementData;
int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1; //定义新数组的容量，为原数组容量的1.5倍+1
if (newCapacity < minCapacity)
newCapacity = minCapacity;
// minCapacity is usually close to size, so this is a win:
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); //复制指定的数组，返回新数组的容量为newCapacity
}
}
如果集合中添加的元素超过了10个，那么ArrayList底层会新生成一个数组，长度为原数组的1.5倍+1，并将原数组中的元素copy到新数组中，并且后续添加的元素都会放在新数组中，当新数组的长度无法容纳新添加的元素时，重复该过程。这就是集合添加元素的实现原理。
3、get方法：
1) get(int index)，返回此列表中指定位置上的元素。
public E get(int index) {
RangeCheck(index); //检查传入的指定下标是否合法
return (E) elementData[index]; //返回数组下标为index的数组元素
}
private void RangeCheck(int index) {
if (index >= size) //如果传入的下标大于或等于集合的容量，抛异常
throw new IndexOutOfBoundsException(
"Index: "+index+", Size: "+size);
}
4、remove方法：
1) E remove(int index)，移除此列表中指定位置上的元素。向左移动所有后续元素（将其索引减 1）。
2) boolean remove(Object o)，移除此列表中首次出现的指定元素（如果存在）。如果列表不包含此元素，则列表不做改动，返回boolean值。
public E remove(int index) {
RangeCheck(index); //检查指定的下标是否合法
modCount++;
E oldValue = (E) elementData[index]; //获取指定下标的数组元素
int numMoved = size - index - 1; //要移动的元素个数
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved); //移动数组元素
elementData[--size] = null; // Let gc do its work
return oldValue;
}
public boolean remove(Object o) {
if (o == null) { //如果传入的参数为null
for (int index = 0; index < size; index++)
if (elementData[index] == null) { //移除首次出现的null
fastRemove(index);
return true;
}
} else {
for (int index = 0; index < size; index++)
if (o.equals(elementData[index])) {
fastRemove(index);
return true;
}
}
return false;
}
private void fastRemove(int index) { //移除指定位置的元素,实现方法类似remove(int i)
modCount++;
int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
numMoved);
elementData[--size] = null; // Let gc do its work
}
5、clone方法：
1) Object clone()，返回此ArrayList实例的浅表副本（不复制这些元素本身） 。
public Object clone() {
try {
ArrayList<E> v = (ArrayList<E>) super.clone(); //调用Object类的clone方法返回一个ArrayList对象
v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, size); //复制目标数组
v.modCount = 0;
return v;
} catch (CloneNotSupportedException e) {
// this shouldn't happen, since we are Cloneable
throw new InternalError();
}
}
以上通过对ArrayList部分关键源码的分析，知道了ArrayList底层的实现原理，关于ArrayList源码有以下几点几点总结：
1) ArrayList 底层是基于数组来实现的，可以通过下标准确的找到目标元素，因此查找的效率高；但是添加或删除元素会涉及到大量元素的位置移动，效率低。
2) ArrayList提供了三种不同的构造方法，无参数的构造方法默认在底层生成一个长度为10的Object类型的数组，当集合中添加的元素个数大于10，数组会自动进行扩容，即生成一个新的数组，并将原数组的元素放到新数组中。
3) ensureCapacity方法对数组进行扩容，它会生成一个新数组，长度是原数组的1.5倍+1，随着向ArrayList中不断添加元素，当数组长度无法满足需要时，重复该过程。
