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。
類圖
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;
（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); } }
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; }
ArrayList 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; } }
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"}; } }
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); }
（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)); }
（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 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; }
（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]; }
（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; }
（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 }
（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; }
（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
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); }
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；
思考
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(); } } }
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。