ArrayList集合详解
1、简介：
ArrayList 是 java 集合框架中比较常用的数据结构了。继承自 AbstractList，实现了 List 接口。底层基于数组实现容量大小动态变化。允许 null 的存在。同时还实现了 RandomAccess、Cloneable、Serializable 接口，所以ArrayList 是支持快速访问、复制、序列化的。
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
注意：RandomAccess
public interface RandomAccess { }
RandomAccess接口是一个标志接口（Marker），这个可以查看Collections的源码查看
public static <T> int binarySearch(List<? extends Comparable<? super T>> list, T key) { if (list instanceof RandomAccess || list.size()<BINARYSEARCH_THRESHOLD) return Collections.indexedBinarySearch(list, key); else return Collections.iteratorBinarySearch(list, key); }
从上面源码可以得出结论：如果实现RandomAccess接口或者集合的实际存储值小于5000，就使用就采用 index 的方式遍历, 反之就采用 iterator 的方式遍历。
2、成员变量说明
/** * Default initial capacity. */ private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
没有给定集合长度默认是10
/** * The size of the ArrayList (the number of elements it contains). * * @serial */ private int size;
ArrayList实际存储的长度
protected transient int modCount = 0;
这个变量是定义在 AbstractList 中的。记录对 List 操作的次数。主要使用是在 Iterator，是防止在迭代的过程中集合被修改
/** * Shared empty array instance used for empty instances. */ private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {}; /** * Shared empty array instance used for default sized empty instances. We * distinguish this from EMPTY_ELEMENTDATA to know how much to inflate when * first element is added. */ private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
两个空的数组有什么区别呢？ We distinguish this from EMPTY_ELEMENTDATA to know how much to inflate when first element is added. 简单来讲就是第一次添加元素时知道该 elementData 从空的构造函数还是有参构造函数被初始化的。以便确认如何扩容。
3、构造函数：
3.1、无参构造器
/** * Constructs an empty list with an initial capacity of ten. */ public ArrayList() { this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA; }
配合add的这段代码
private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) { if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) { return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity); } return minCapacity; }
注意：注释是说构造一个容量大小为 10 的空的 list 集合，但构造函数了只是给 elementData 赋值了一个空的数组，其实是在第一次添加元素时容量扩大至 10 的。
3.2、有参构造器
/** * Constructs an empty list with the specified initial capacity. * * @param initialCapacity the initial capacity of the list * @throws IllegalArgumentException if the specified initial capacity * is negative */ 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); } }
当使用无参构造函数时是把 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 赋值给 elementData。添加add方法时候默认长度为10
当 initialCapacity 为零时则是把 EMPTY_ELEMENTDATA 赋值给 elementData。添加add方法时候默认是零需要扩容，扩容为1
当 initialCapacity 大于零时初始化一个大小为 initialCapacity 的 object 数组并赋值给 elementData。
总结：DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA和EMPTY_ELEMENTDATA是为了区分是无参构造器创建还是指定长度创建
3.2、使用collection来调用ArrayList构造器
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; } }
将 Collection 转化为数组并赋值给 elementData，把 elementData 中元素的个数赋值给 size。 如果 size 不为零，则判断 elementData 的 class 类型是否为 Object[]，不是的话则做一次转换。 如果 size 为零，则把 EMPTY_ELEMENTDATA 赋值给 elementData，相当于new ArrayList(0)。
4、主要的方法
public boolean add(E e) { ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!! elementData[size++] = e; return true; } private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) { ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity)); } private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) { modCount++; // overflow-conscious code if (minCapacity - elementData.length > 0) grow(minCapacity); } private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) { if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) { return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity); } return minCapacity; }
每次添加元素的时候都要确认容器的大小，拿实际存储的长度+1去和能够存储的长度elementData.length进行比较，如果实际长度大于能够存储的长度就会进行扩容，扩容的时候
private void grow(int minCapacity) { // overflow-conscious code int oldCapacity = elementData.length; int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); 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); }
默认将扩容至原来容量的 1.5 倍。但是扩容之后也不一定适用，有可能太小，有可能太大。所以才会有下面两个 if 判断。如果1.5倍太小的话，则将我们所需的容量大小赋值给newCapacity，如果1.5倍太大或者我们需要的容量太大，那就直接拿
newCapacity = (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ? Integer.MAX_VALUE : MAX_ARRAY_SIZE 来扩容。然后将原数组中的数据复制到大小为 newCapacity 的新数组中，并将新数组赋值给 elementData。private static int hugeCapacity(int minCapacity) { if (minCapacity < 0) // overflow throw new OutOfMemoryError(); return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ? Integer.MAX_VALUE : MAX_ARRAY_SIZE; }
public void add(int index, E element) { rangeCheckForAdd(index); ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!! System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index); elementData[index] = element; size++; } 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; } public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) { rangeCheckForAdd(index); Object[] a = c.toArray(); int numNew = a.length; ensureCapacityInternal(size + numNew); // Increments modCount int numMoved = size - index; if (numMoved > 0) System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew, numMoved); System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew); size += numNew; return numNew != 0; }
add(int index, E element)，addAll(Collection<? extends E> c)，addAll(int index, Collection<? extends E> c) 操作是都是先对集合容量检查 ，以确保不会数组越界。然后通过 System.arraycopy() 方法将旧数组元素拷贝至一个新的数组中去。
public static native void arraycopy(Object src, int srcPos, Object dest, int destPos, int length);
参数：
src：要复制的数组(源数组)
srcPos：复制源数组的起始位置
dest：目标数组
destPos：目标数组的下标位置
length：要复制的长度
remove 操作
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; } 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; } 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 }
当调用 remove(int index) 时，首先会检查 index 是否合法，然后再判断要删除的元素是否位于数组的最后一个位置。如果 index 不是最后一个，就再次调用 System.arraycopy() 方法拷贝数组。然后将数组的最后一个位置空，size - 1；
当调用remove(Object o)时，首先判断o是否为null，如果为null，就在elementData寻找值为null的，然后调用fastRemove删除，过程和remove(int index) 差不多。
get过程
public E get(int index) { rangeCheck(index); return elementData(index); }
首先判断数组有没有越界，如果没有直接根据下标获取数据返回。
5、迭代器 iterator
在用 增强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。
5、迭代器 iterator
private class Itr implements Iterator<E> { int cursor; // index of next element to return int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such 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(); } }final void checkForComodification() { if (modCount != expectedModCount) throw new ConcurrentModificationException(); } }
cursor：代表下一个要访问的元素下标。 lastRet：代表当前访问的元素的下标，刚开始默认是-1。 expectedModCount：代表对 ArrayList 修改次数的期望值，初始值为 modCount
下面看看 Itr 的三个主要函数
hasNext 如果下一个元素的下标等于集合的大小 ，就证明到最后了
next 方法也不复杂，但很关键。首先判断 expectedModCount 和 modCount 是否相等。然后对 cursor 进行判断，看是否超过集合大小和数组长度。然后将 cursor 赋值给 lastRet ，并返回下标为 lastRet 的元素。最后将 cursor 自增 1。开始时，cursor = 0，lastRet = -1；每调用一次 next 方法， cursor 和 lastRet 都会自增 1。
remove 方法首先会判断 lastRet 的值是否小于 0，然后在检查 expectedModCount 和 modCount 是否相等。直接调用 ArrayList 的 remove 方法删除下标为 lastRet 的元素。然后将 lastRet 赋值给 cursor ，将 lastRet 重新赋值为 -1，并将 modCount 重新赋值给 expectedModCount。
下面用图来表示下删除的报错过程：
在没有遍历的时候，cursor为0，lastRet为-1
当调用next的时候lastRet变为0而cursor变为1，当0的位置的值为1的时候，执行ArrayList的remove，这时候modCount+1，而expectedModCount不变，这时候modCount和expectedModCount不相等
当调用next的时候，首先检查modCount和expectedModCount是否相等，如果不相等就报错：ConcurrentModificationException
直接调用 iterator.remove() 即可。因为在该方法中增加了 expectedModCount = modCount 操作
但是这个 remove 方法也有弊端。
- 只能进行remove操作，add、clear 等 Itr 中没有。
- 调用 remove 之前必须先调用 next。因为 remove 开始就对 lastRet 做了校验。而 lastRet 初始化时为 -1。
- next 之后只可以调用一次 remove。因为 remove 会将 lastRet 重新初始化为 -1
总结： ArrayList 底层基于数组实现容量大小动态可变。 扩容机制为首先扩容为原始容量的 1.5 倍。如果1.5倍太小的话，则将我们所需的容量大小赋值给 newCapacity，如果1.5倍太大或者我们需要的容量太大，那就直接拿
newCapacity = (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ? Integer.MAX_VALUE : MAX_ARRAY_SIZE 来扩容。 扩容之后是通过数组的拷贝来确保元素的准确性的，所以尽可能减少扩容操作。 ArrayList 的最大存储能力：Integer.MAX_VALUE。 size 为集合中存储的元素的个数。elementData.length 为数组长度，表示最多可以存储多少个元素。 如果需要边遍历边 remove ，必须使用 iterator。且 remove 之前必须先 next，next 之后只能用一次 remove。 
