集合系列文章：和我一起讀Java8 LinkedList原始碼 首先放一張Java集合介面圖：
- ArrayList 它長於隨機訪問元素，但是在List中間插入和移除元素較慢。
- LinkedList 它通過代價較低的方式在List中間進行插入和刪除，但是在隨機訪問方面相對較慢，但是它的特性急較ArrayList大。 還有個第一代容器Vector，後面僅作比較。
下面正式進入ArrayList實現原理，主要參考Java8 ArrayList原始碼 ####類定義
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
複製程式碼ArrayList 繼承了AbstractList並且實現了List，所以具有新增，修改，刪除，遍歷等功能 實現了RandomAccess介面，支援隨機訪問 實現了Cloneable介面，支援Clone 實現了Serualizable介面，可以被序列化 ####底層資料結構
transient Object[] elementData; //存放元素的陣列
private int size; //ArrayList實際存放的元素數量
複製程式碼ArrayList的底層實際是通過一個Object的陣列實現，陣列本身有個容量capacity，實際儲存的元素個數為size，當做一些操作，例如插入操作導致陣列容量不夠時，ArrayList就會自動擴容，也就是調節capacity的大小。
####初始化 指定容量大小初始化
/**
* 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);
}
}
複製程式碼初始化一個指定容量的空集合，若是容量為0，集合為空集合，其中
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};,容量也為0。
無引數初始化
/**
* Constructs an empty list with an initial capacity of ten.
*/
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
複製程式碼無引數初始化，其實DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA的定義也為：
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};與EMPTY_ELEMENTDATA的區別是當第一個元素被插入時，陣列就會自動擴容到10,具體見下文說add方法時的解釋。
集合作為初始化引數
/**
* Constructs a list containing the elements of the specified
* collection, in the order they are returned by the collection's
* iterator.
*
* @param c the collection whose elements are to be placed into this list
* @throws NullPointerException if the specified collection is null
*/
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;
}
}
複製程式碼構造一個包含指定 collection 的元素的列表，這些元素按照該collection的迭代器返回它們的順序排列的。
####size和IsEmpty 首先是兩個最簡單的操作：
public int size() {
return size;
}
複製程式碼public boolean isEmpty() {
return size == 0;
}
複製程式碼都是依靠size值，直接獲取容器內元素的個數，判斷是否為空集合。
#####Set 和Get操作 Set和Get操作都是直接操作集合下標
public E set(int index, E element) {
rangeCheck(index);
E oldValue = elementData(index);
elementData[index] = element;
return oldValue;
}
複製程式碼public E get(int index) {
rangeCheck(index);
return elementData(index);
}
複製程式碼在操作之前都會做RangeCheck檢查，如果index超過size，則會報IndexOutOfBoundsException錯誤。 elementData的操作實際就是基於下標的訪問，所以ArrayList 長於隨機訪問元素，複雜度為O(1)。
@SuppressWarnings("unchecked")
E elementData(int index) {
return (E) elementData[index];
}
複製程式碼####Contain
public boolean contains(Object o) {
return indexOf(o) >= 0;
}
複製程式碼contains 函式基於indexOf函式，如果第一次出現的位置大於等於0，說明ArrayList就包含該元素， IndexOf的實現如下：
public int indexOf(Object o) {
if (o == null) {
for (int i = 0; i < size; i++)
if (elementData[i]==null)
return i;
} else {
for (int i = 0; i < size; i++)
if (o.equals(elementData[i]))
return i;
}
return -1;
}
複製程式碼ArrayList是接受null值的，如果不存在該元素，則會返回-1，所以contains判斷是否大於等於0來判斷是否包含指定元素。
####Add和Remove
public boolean add(E e) {
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
elementData[size++] = e;
return true;
}
複製程式碼首先確保已有的容量在已使用長度加1後還能存下下一個元素，這裡正好分析下用來確保ArrayList容量ensureCapacityInternal函式：
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
複製程式碼這邊可以返回看一開始空引數初始化，this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA, 空引數初始化的ArrayList新增第一個元素，上面的if語句就會呼叫，DEFAULT_CAPACITY定義為10，所以空引數初始化的ArrayList一開始新增元素，容量就變為10，在確定了minCapacity後，還要呼叫ensureExplicitCapacity(minCapacity)去真正的增長容量：
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
modCount++;
// overflow-conscious code
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}
複製程式碼這裡modCount默默記錄ArrayList被修改的次數， 然後是判斷是否需要擴充陣列容量，如果當前陣列所需要的最小容量大於陣列現有長度，就呼叫自動擴容函式grow：
private void grow(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length;
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); //擴充為原來的1.5倍
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);
}
複製程式碼oldCapacity記錄陣列原有長度，newCapacity直接將長度擴充套件為原來的1.5倍，如果1.5倍的長度大於需要擴充的容量（minCapacity），就只擴充到minCapacity，如果newCapacity大於陣列最大長度MAX_ARRAY_SIZE，就只擴容到MAX_ARRAY_SIZE大小，關於MAX_ARRAY_SIZE為什麼是private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;,我文章裡就不深究了，感興趣的可以參考stackoverflow上的有關回答：
Why the maximum array size of ArrayList is Integer.MAX_VALUE - 8?
Add還提供兩個引數的形式，支援在指定位置新增元素。
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++;
}
複製程式碼在指定位置新增元素之前，先把index位置起的所有元素後移一位，然後在index處插入元素。
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;
}
複製程式碼Remove介面也很好理解了，儲存index位置的值到oldView作為返回值，將index後面所有的元素都向前拷貝一位，不要忘記的是還要將原來最後的位置標記為null，以便讓垃圾收集器自動GC這塊記憶體。 還可以根據物件Remove：
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;
}
複製程式碼找到物件所在位置，呼叫FastRemove函式快速刪除index位置上的元素，FastRemove也就是比remove(index)少了個邊界檢查。
#####clear
/**
* Removes all of the elements from this list. The list will
* be empty after this call returns.
*/
public void clear() {
modCount++;
// clear to let GC do its work
for (int i = 0; i < size; i++)
elementData[i] = null;
size = 0;
}
複製程式碼由於Java有GC機制，所以不需要手動釋放記憶體，只要將ArrayList所有元素都標記為null，垃圾收集器就會自動收集這些記憶體。
Add和Remove都提供了一系列的批量操作介面:
public boolean addAll(Collection<? extends E> c);
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c);
protected void removeRange(int fromIndex, int toIndex) ;
public boolean removeAll(Collection<?> c) ;
複製程式碼相比於單檔案一次只集體向前或向後移動一位，批量操作需要移動Collection 長度的距離。
####Iterator與fast_fail 首先看看ArrayList裡迭代器是如何實現的：
private class Itr implements Iterator<E> {
int cursor; // 記錄下一個返回元素的index，一開始為0
int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such
int expectedModCount = modCount; //這邊確保產生迭代器時，就將當前modCount賦給expectedModCount
public boolean hasNext() {
return cursor != size;
}
@SuppressWarnings("unchecked")
public E next() {
checkForComodification();
int i = cursor; //訪問元素的index
if (i >= size)
throw new NoSuchElementException();
Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
if (i >= elementData.length)
throw new ConcurrentModificationException();
cursor = i + 1; //不斷加1，只要不斷呼叫next，就可以遍歷List
return (E) elementData[lastRet = i]; //lastRet在這裡會記錄最近返回元素的位置
}
public void remove() {
if (lastRet < 0)
throw new IllegalStateException();
checkForComodification();
try {
ArrayList.this.remove(lastRet); //呼叫List本身的remove函式，刪除最近返回的元素
cursor = lastRet;
lastRet = -1;
expectedModCount = modCount; //上面的Remove函式會改變modCount，所以這邊expectedModCount需要更新
} catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
@Override
@SuppressWarnings("unchecked")
public void forEachRemaining(Consumer<? super E> consumer) {
Objects.requireNonNull(consumer);
final int size = ArrayList.this.size;
int i = cursor;
if (i >= size) {
return;
}
final Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
if (i >= elementData.length) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
while (i != size && modCount == expectedModCount) {
consumer.accept((E) elementData[i++]);
}
// update once at end of iteration to reduce heap write traffic
cursor = i;
lastRet = i - 1;
checkForComodification();
}
final void checkForComodification() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
複製程式碼ArrayList裡可以通過iterator方法獲取迭代器，iterator方法就是new一個上述迭代器物件：
public Iterator<E> iterator() {
return new Itr();
}
複製程式碼那麼我們看看Itr類的主要方法：
- next ：獲取序列的下一個元素
- hasNext：檢查序列中是否還有元素
- remove：將迭代器新近返回的元素刪除
在next和remove操作之前，都會呼叫checkForComodification函式，如果modCount和本身記錄的expectedModCount不一致，就證明集合在別處被修改過，丟擲ConcurrentModificationException異常，產生fail-fast事件。
fail-fast 機制是java集合(Collection)中的一種錯誤機制。當多個執行緒對同一個集合的內容進行操作時，就可能會產生fail-fast事件。 例如：當某一個執行緒A通過iterator去遍歷某集合的過程中，若該集合的內容被其他執行緒所改變了；那麼執行緒A訪問集合時，就會丟擲ConcurrentModificationException異常，產生fail-fast事件。 一般多執行緒環境下，可以考慮使用CopyOnWriteArrayList來避免fail-fast。