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簡介
ArrayList是一種以陣列實現的List，與陣列相比，它具有動態擴充套件的能力，因此也可稱之為動態陣列。
繼承體系
ArrayList實現了List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable等介面。
ArrayList實現了List，提供了基礎的新增、刪除、遍歷等操作。
ArrayList實現了RandomAccess，提供了隨機訪問的能力。
ArrayList實現了Cloneable，可以被克隆。
ArrayList實現了Serializable，可以被序列化。
原始碼解析
屬性
/**
* 預設容量
*/
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
/**
* 空陣列，如果傳入的容量為0時使用
*/
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/**
* 空陣列，傳傳入容量時使用，新增第一個元素的時候會重新初始為預設容量大小
*/
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/**
* 儲存元素的陣列
*/
transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
/**
* 集合中元素的個數
*/
private int size;
複製程式碼（1）DEFAULT_CAPACITY
預設容量為10，也就是通過new ArrayList()建立時的預設容量。
（2）EMPTY_ELEMENTDATA
空的陣列，這種是通過new ArrayList(0)建立時用的是這個空陣列。
（3）DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
也是空陣列，這種是通過new ArrayList()建立時用的是這個空陣列，與EMPTY_ELEMENTDA他的區別是在新增第一個元素時使用這個空陣列的會初始化為DEFAULT_CAPACITY（10）個元素。
（4）elementData
真正存放元素的地方，使用transient是為了不序列化這個欄位。
至於沒有使用private修飾，後面註釋是寫的“為了簡化巢狀類的訪問”，但是樓主實測加了private巢狀類一樣可以訪問。
private表示是類私有的屬性，只要是在這個類內部都可以訪問，巢狀類或者內部類也是在類的內部，所以也可以訪問類的私有成員。
（5）size
真正儲存元素的個數，而不是elementData陣列的長度。
ArrayList(int initialCapacity)構造方法
傳入初始容量，如果大於0就初始化elementData為對應大小，如果等於0就使用EMPTY_ELEMENTDATA空陣列，如果小於0丟擲異常。
public ArrayList(int initialCapacity) {
if (initialCapacity > 0) {
// 如果傳入的初始容量大於0，就新建一個陣列儲存元素
this.elementData = new Object[initialCapacity];
} else if (initialCapacity == 0) {
// 如果傳入的初始容量等於0，使用空陣列EMPTY_ELEMENTDATA
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
} else {
// 如果傳入的初始容量小於0，丟擲異常
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: " + initialCapacity);
}
}
複製程式碼ArrayList()構造方法
不傳初始容量，初始化為DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA空陣列，會在新增第一個元素的時候擴容為預設的大小，即10。
public ArrayList() {
// 如果沒有傳入初始容量，則使用空陣列DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
// 使用這個陣列是在新增第一個元素的時候會擴容到預設大小10
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
複製程式碼ArrayList(Collection<? extends E> c)構造方法
傳入集合並初始化elementData，這裡會使用拷貝把傳入集合的元素拷貝到elementData陣列中，如果元素個數為0，則初始化為EMPTY_ELEMENTDATA空陣列。
/**
* 把傳入集合的元素初始化到ArrayList中
*/
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
// 集合轉陣列
elementData = c.toArray();
if ((size = elementData.length) != 0) {
// 檢查c.toArray()返回的是不是Object[]型別，如果不是，重新拷貝成Object[].class型別
if (elementData.getClass() != Object[].class)
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
} else {
// 如果c的空集合，則初始化為空陣列EMPTY_ELEMENTDATA
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}
}
複製程式碼為什麼c.toArray();返回的有可能不是Object[]型別呢？請看下面的程式碼：
public class ArrayTest {
public static void main(String[] args) {
Father[] fathers = new Son[]{};
// 列印結果為class [Lcom.coolcoding.code.Son;
System.out.println(fathers.getClass());
List<String> strList = new MyList();
// 列印結果為class [Ljava.lang.String;
System.out.println(strList.toArray().getClass());
}
}
class Father {}
class Son extends Father {}
class MyList extends ArrayList<String> {
/**
* 子類重寫父類的方法，返回值可以不一樣
* 但這裡只能用陣列型別，換成Object就不行
* 應該算是java本身的bug
*/
@Override
public String[] toArray() {
// 為了方便舉例直接寫死
return new String[]{"1", "2", "3"};
}
}
複製程式碼add(E e)方法
新增元素到末尾，平均時間複雜度為O(1)。
public boolean add(E e) {
// 檢查是否需要擴容
ensureCapacityInternal(size + 1);
// 把元素插入到最後一位
elementData[size++] = e;
return true;
}
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}
private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
// 如果是空陣列DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA，就初始化為預設大小10
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
return minCapacity;
}
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
modCount++;
if (minCapacity - elementData.length > 0)
// 擴容
grow(minCapacity);
}
private void grow(int minCapacity) {
int oldCapacity = elementData.length;
// 新容量為舊容量的1.5倍
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
// 如果新容量發現比需要的容量還小，則以需要的容量為準
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
// 如果新容量已經超過最大容量了，則使用最大容量
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
// 以新容量拷貝出來一個新陣列
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
複製程式碼（1）檢查是否需要擴容；
（2）如果elementData等於DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA則初始化容量大小為DEFAULT_CAPACITY；
（3）新容量是老容量的1.5倍（oldCapacity + (oldCapacity >> 1)），如果加了這麼多容量發現比需要的容量還小，則以需要的容量為準；
（4）建立新容量的陣列並把老陣列拷貝到新陣列；
add(int index, E element)方法
新增元素到指定位置，平均時間複雜度為O(n)。
public void add(int index, E element) {
// 檢查是否越界
rangeCheckForAdd(index);
// 檢查是否需要擴容
ensureCapacityInternal(size + 1);
// 將inex及其之後的元素往後挪一位，則index位置處就空出來了
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
size - index);
// 將元素插入到index的位置
elementData[index] = element;
// 大小增1
size++;
}
private void rangeCheckForAdd(int index) {
if (index > size || index < 0)
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
複製程式碼（1）檢查索引是否越界；
（2）檢查是否需要擴容；
（3）把插入索引位置後的元素都往後挪一位；
（4）在插入索引位置放置插入的元素；
（5）大小加1；
addAll(Collection<? extends E> c)方法
求兩個集合的並集。
/**
* 將集合c中所有元素新增到當前ArrayList中
*/
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
// 將集合c轉為陣列
Object[] a = c.toArray();
int numNew = a.length;
// 檢查是否需要擴容
ensureCapacityInternal(size + numNew);
// 將c中元素全部拷貝到陣列的最後
System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
// 大小增加c的大小
size += numNew;
// 如果c不為空就返回true，否則返回false
return numNew != 0;
}
複製程式碼（1）拷貝c中的元素到陣列a中；
（2）檢查是否需要擴容；
（3）把陣列a中的元素拷貝到elementData的尾部；
get(int index)方法
獲取指定索引位置的元素，時間複雜度為O(1)。
public E get(int index) {
// 檢查是否越界
rangeCheck(index);
// 返回陣列index位置的元素
return elementData(index);
}
private void rangeCheck(int index) {
if (index >= size)
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
E elementData(int index) {
return (E) elementData[index];
}
複製程式碼（1）檢查索引是否越界，這裡只檢查是否越上界，如果越上界丟擲IndexOutOfBoundsException異常，如果越下界丟擲的是ArrayIndexOutOfBoundsException異常。
（2）返回索引位置處的元素；
remove(int index)方法
刪除指定索引位置的元素，時間複雜度為O(n)。
public E remove(int index) {
// 檢查是否越界
rangeCheck(index);
modCount++;
// 獲取index位置的元素
E oldValue = elementData(index);
// 如果index不是最後一位，則將index之後的元素往前挪一位
int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
// 將最後一個元素刪除，幫助GC
elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
// 返回舊值
return oldValue;
}
複製程式碼（1）檢查索引是否越界；
（2）獲取指定索引位置的元素；
（3）如果刪除的不是最後一位，則其它元素往前移一位；
（4）將最後一位置為null，方便GC回收；
（5）返回刪除的元素。
可以看到，ArrayList刪除元素的時候並沒有縮容。
remove(Object o)方法
刪除指定元素值的元素，時間複雜度為O(n)。
public boolean remove(Object o) {
if (o == null) {
// 遍歷整個陣列，找到元素第一次出現的位置，並將其快速刪除
for (int index = 0; index < size; index++)
// 如果要刪除的元素為null，則以null進行比較，使用==
if (elementData[index] == null) {
fastRemove(index);
return true;
}
} else {
// 遍歷整個陣列，找到元素第一次出現的位置，並將其快速刪除
for (int index = 0; index < size; index++)
// 如果要刪除的元素不為null，則進行比較，使用equals()方法
if (o.equals(elementData[index])) {
fastRemove(index);
return true;
}
}
return false;
}
private void fastRemove(int index) {
// 少了一個越界的檢查
modCount++;
// 如果index不是最後一位，則將index之後的元素往前挪一位
int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
// 將最後一個元素刪除，幫助GC
elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
}
複製程式碼（1）找到第一個等於指定元素值的元素；
（2）快速刪除；
fastRemove(int index)相對於remove(int index)少了檢查索引越界的操作，可見jdk將效能優化到極致。
retainAll(Collection<?> c)方法
求兩個集合的交集。
public boolean retainAll(Collection<?> c) {
// 集合c不能為null
Objects.requireNonNull(c);
// 呼叫批量刪除方法，這時complement傳入true，表示刪除不包含在c中的元素
return batchRemove(c, true);
}
/**
* 批量刪除元素
* complement為true表示刪除c中不包含的元素
* complement為false表示刪除c中包含的元素
*/
private boolean batchRemove(Collection<?> c, boolean complement) {
final Object[] elementData = this.elementData;
// 使用讀寫兩個指標同時遍歷陣列
// 讀指標每次自增1，寫指標放入元素的時候才加1
// 這樣不需要額外的空間，只需要在原有的陣列上操作就可以了
int r = 0, w = 0;
boolean modified = false;
try {
// 遍歷整個陣列，如果c中包含該元素，則把該元素放到寫指標的位置（以complement為準）
for (; r < size; r++)
if (c.contains(elementData[r]) == complement)
elementData[w++] = elementData[r];
} finally {
// 正常來說r最後是等於size的，除非c.contains()丟擲了異常
if (r != size) {
// 如果c.contains()丟擲了異常，則把未讀的元素都拷貝到寫指標之後
System.arraycopy(elementData, r,
elementData, w,
size - r);
w += size - r;
}
if (w != size) {
// 將寫指標之後的元素置為空，幫助GC
for (int i = w; i < size; i++)
elementData[i] = null;
modCount += size - w;
// 新大小等於寫指標的位置（因為每寫一次寫指標就加1，所以新大小正好等於寫指標的位置）
size = w;
modified = true;
}
}
// 有修改返回true
return modified;
}
複製程式碼（1）遍歷elementData陣列；
（2）如果元素在c中，則把這個元素新增到elementData陣列的w位置並將w位置往後移一位；
（3）遍歷完之後，w之前的元素都是兩者共有的，w之後（包含）的元素不是兩者共有的；
（4）將w之後（包含）的元素置為null，方便GC回收；
removeAll(Collection<?> c)
求兩個集合的單方向差集，只保留當前集合中不在c中的元素，不保留在c中不在當前集體中的元素。
public boolean removeAll(Collection<?> c) {
// 集合c不能為空
Objects.requireNonNull(c);
// 同樣呼叫批量刪除方法，這時complement傳入false，表示刪除包含在c中的元素
return batchRemove(c, false);
}
複製程式碼與retainAll(Collection<?> c)方法類似，只是這裡保留的是不在c中的元素。
總結
（1）ArrayList內部使用陣列儲存元素，當陣列長度不夠時進行擴容，每次加一半的空間，ArrayList不會進行縮容；
（2）ArrayList支援隨機訪問，通過索引訪問元素極快，時間複雜度為O(1)；
（3）ArrayList新增元素到尾部極快，平均時間複雜度為O(1)；
（4）ArrayList新增元素到中間比較慢，因為要搬移元素，平均時間複雜度為O(n)；
（5）ArrayList從尾部刪除元素極快，時間複雜度為O(1)；
（6）ArrayList從中間刪除元素比較慢，因為要搬移元素，平均時間複雜度為O(n)；
（7）ArrayList支援求並集，呼叫addAll(Collection<? extends E> c)方法即可；
（8）ArrayList支援求交集，呼叫retainAll(Collection<? extends E> c)方法即可；
（7）ArrayList支援求單向差集，呼叫removeAll(Collection<? extends E> c)方法即可；
彩蛋
elementData設定成了transient，那ArrayList是怎麼把元素序列化的呢？
private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
throws java.io.IOException{
// 防止序列化期間有修改
int expectedModCount = modCount;
// 寫出非transient非static屬性（會寫出size屬性）
s.defaultWriteObject();
// 寫出元素個數
s.writeInt(size);
// 依次寫出元素
for (int i=0; i<size; i++) {
s.writeObject(elementData[i]);
}
// 如果有修改，丟擲異常
if (modCount != expectedModCount) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
// 宣告為空陣列
elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
// 讀入非transient非static屬性（會讀取size屬性）
s.defaultReadObject();
// 讀入元素個數，沒什麼用，只是因為寫出的時候寫了size屬性，讀的時候也要按順序來讀
s.readInt();
if (size > 0) {
// 計算容量
int capacity = calculateCapacity(elementData, size);
SharedSecrets.getJavaOISAccess().checkArray(s, Object[].class, capacity);
// 檢查是否需要擴容
ensureCapacityInternal(size);
Object[] a = elementData;
// 依次讀取元素到陣列中
for (int i=0; i<size; i++) {
a[i] = s.readObject();
}
}
}
複製程式碼檢視writeObject()方法可知，先呼叫s.defaultWriteObject()方法，再把size寫入到流中，再把元素一個一個的寫入到流中。
一般地，只要實現了Serializable介面即可自動序列化，writeObject()和readObject()是為了自己控制序列化的方式，這兩個方法必須宣告為private，在java.io.ObjectStreamClass#getPrivateMethod()方法中通過反射獲取到writeObject()這個方法。
在ArrayList的writeObject()方法中先呼叫了s.defaultWriteObject()方法，這個方法是寫入非static非transient的屬性，在ArrayList中也就是size屬性。同樣地，在readObject()方法中先呼叫了s.defaultReadObject()方法解析出了size屬性。
elementData定義為transient的優勢，自己根據size序列化真實的元素，而不是根據陣列的長度序列化元素，減少了空間佔用。
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