死磕 Java集合之ArrayList源码分析
简介
ArrayList是一种以数组实现的List，与数组相比，它具有动态扩展的能力，因此也可称之为动态数组。
继承体系
ArrayList实现了List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable等接口。
ArrayList实现了List，提供了基础的添加、删除、遍历等操作。
ArrayList实现了RandomAccess，提供了随机访问的能力。
ArrayList实现了Cloneable，可以被克隆。
ArrayList实现了Serializable，可以被序列化。
源码解析
属性
/** * 默认容量 */private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;/** * 空数组，如果传入的容量为0时使用 */private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};/** * 空数组，传传入容量时使用，添加第一个元素的时候会重新初始为默认容量大小 */private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};/** * 存储元素的数组 */transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access/** * 集合中元素的个数 */private int size;（1）DEFAULT_CAPACITY
默认容量为10，也就是通过new ArrayList()创建时的默认容量。
（2）EMPTY_ELEMENTDATA
空的数组，这种是通过new ArrayList(0)创建时用的是这个空数组。
（3）DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
也是空数组，这种是通过new ArrayList()创建时用的是这个空数组，与EMPTY_ELEMENTDATA的区别是在添加第一个元素时使用这个空数组的会初始化为DEFAULT_CAPACITY（10）个元素。
（4）elementData
真正存放元素的地方，使用transient是为了不序列化这个字段。
至于没有使用private修饰，后面注释是写的“为了简化嵌套类的访问”，但是楼主实测加了private嵌套类一样可以访问。
private表示是类私有的属性，只要是在这个类内部都可以访问，嵌套类或者内部类也是在类的内部，所以也可以访问类的私有成员。
（5）size
真正存储元素的个数，而不是elementData数组的长度。
ArrayList(int initialCapacity)构造方法
传入初始容量，如果大于0就初始化elementData为对应大小，如果等于0就使用EMPTY_ELEMENTDATA空数组，如果小于0抛出异常。
public ArrayList(int initialCapacity) { if (initialCapacity > 0) { // 如果传入的初始容量大于0，就新建一个数组存储元素 this.elementData = new Object[initialCapacity]; } else if (initialCapacity == 0) { // 如果传入的初始容量等于0，使用空数组EMPTY_ELEMENTDATA this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA; } else { // 如果传入的初始容量小于0，抛出异常 throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: " + initialCapacity); }}ArrayList()构造方法
不传初始容量，初始化为DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA空数组，会在添加第一个元素的时候扩容为默认的大小，即10。
public ArrayList() { // 如果没有传入初始容量，则使用空数组DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA // 使用这个数组是在添加第一个元素的时候会扩容到默认大小10 this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;}ArrayList(Collection c)构造方法
传入集合并初始化elementData，这里会使用拷贝把传入集合的元素拷贝到elementData数组中，如果元素个数为0，则初始化为EMPTY_ELEMENTDATA空数组。
/*** 把传入集合的元素初始化到ArrayList中*/public ArrayList(Collection<? extends E> c) { // 集合转数组 elementData = c.toArray(); if ((size = elementData.length) != 0) { // 检查c.toArray()返回的是不是Object[]类型，如果不是，重新拷贝成Object[].class类型 if (elementData.getClass() != Object[].class) elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class); } else { // 如果c的空集合，则初始化为空数组EMPTY_ELEMENTDATA this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA; }}为什么 c.toArray();返回的有可能不是Object[]类型呢？请看下面的代码：
public class ArrayTest { public static void main(String[] args) { Father[] fathers = new Son[]{}; // 打印结果为class [Lcom.coolcoding.code.Son; System.out.println(fathers.getClass()); List<String> strList = new MyList(); // 打印结果为class [Ljava.lang.String; System.out.println(strList.toArray().getClass()); }}class Father {}class Son extends Father {}class MyList extends ArrayList<String> { /** * 子类重写父类的方法，返回值可以不一样 * 但这里只能用数组类型，换成Object就不行 * 应该算是java本身的bug */ @Override public String[] toArray() { // 为了方便举例直接写死 return new String[]{"1", "2", "3"}; }}add(E e)方法
添加元素到末尾，平均时间复杂度为O(1)。
public boolean add(E e) { // 检查是否需要扩容 ensureCapacityInternal(size + 1); // 把元素插入到最后一位 elementData[size++] = e; return true;}private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) { ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));}private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) { // 如果是空数组DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA，就初始化为默认大小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) // 扩容 grow(minCapacity);}private void grow(int minCapacity) { int oldCapacity = elementData.length; // 新容量为旧容量的1.5倍 int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // 如果新容量发现比需要的容量还小，则以需要的容量为准 if (newCapacity - minCapacity < 0) newCapacity = minCapacity; // 如果新容量已经超过最大容量了，则使用最大容量 if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0) newCapacity = hugeCapacity(minCapacity); // 以新容量拷贝出来一个新数组 elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);}（1）检查是否需要扩容；
（2）如果elementData等于DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA则初始化容量大小为DEFAULT_CAPACITY；
（3）新容量是老容量的1.5倍（oldCapacity + (oldCapacity >> 1)），如果加了这么多容量发现比需要的容量还小，则以需要的容量为准；
（4）创建新容量的数组并把老数组拷贝到新数组；
add(int index, E element)方法
添加元素到指定位置，平均时间复杂度为O(n)。
public void add(int index, E element) { // 检查是否越界 rangeCheckForAdd(index); // 检查是否需要扩容 ensureCapacityInternal(size + 1); // 将inex及其之后的元素往后挪一位，则index位置处就空出来了 System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index); // 将元素插入到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）检查索引是否越界；
（2）检查是否需要扩容；
（3）把插入索引位置后的元素都往后挪一位；
（4）在插入索引位置放置插入的元素；
（5）大小加1；
addAll(Collection c)方法
求两个集合的并集。
/*** 将集合c中所有元素添加到当前ArrayList中*/public boolean addAll(Collection<? extends E> c) { // 将集合c转为数组 Object[] a = c.toArray(); int numNew = a.length; // 检查是否需要扩容 ensureCapacityInternal(size + numNew); // 将c中元素全部拷贝到数组的最后 System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew); // 大小增加c的大小 size += numNew; // 如果c不为空就返回true，否则返回false return numNew != 0;}（1）拷贝c中的元素到数组a中；
（2）检查是否需要扩容；
（3）把数组a中的元素拷贝到elementData的尾部；
get(int index)方法
获取指定索引位置的元素，时间复杂度为O(1)。
public E get(int index) { // 检查是否越界 rangeCheck(index); // 返回数组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）检查索引是否越界，这里只检查是否越上界，如果越上界抛出IndexOutOfBoundsException异常，如果越下界抛出的是ArrayIndexOutOfBoundsException异常。
（2）返回索引位置处的元素；
remove(int index)方法
删除指定索引位置的元素，时间复杂度为O(n)。
public E remove(int index) { // 检查是否越界 rangeCheck(index); modCount++; // 获取index位置的元素 E oldValue = elementData(index); // 如果index不是最后一位，则将index之后的元素往前挪一位 int numMoved = size - index - 1; if (numMoved > 0) System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved); // 将最后一个元素删除，帮助GC elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work // 返回旧值 return oldValue;}（1）检查索引是否越界；
（2）获取指定索引位置的元素；
（3）如果删除的不是最后一位，则其它元素往前移一位；
（4）将最后一位置为null，方便GC回收；
（5）返回删除的元素。
可以看到，ArrayList删除元素的时候并没有缩容。
remove(Object o)方法
删除指定元素值的元素，时间复杂度为O(n)。
public boolean remove(Object o) { if (o == null) { // 遍历整个数组，找到元素第一次出现的位置，并将其快速删除 for (int index = 0; index < size; index++) // 如果要删除的元素为null，则以null进行比较，使用== if (elementData[index] == null) { fastRemove(index); return true; } } else { // 遍历整个数组，找到元素第一次出现的位置，并将其快速删除 for (int index = 0; index < size; index++) // 如果要删除的元素不为null，则进行比较，使用equals()方法 if (o.equals(elementData[index])) { fastRemove(index); return true; } } return false;}private void fastRemove(int index) { // 少了一个越界的检查 modCount++; // 如果index不是最后一位，则将index之后的元素往前挪一位 int numMoved = size - index - 1; if (numMoved > 0) System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved); // 将最后一个元素删除，帮助GC elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work}（1）找到第一个等于指定元素值的元素；
（2）快速删除；
fastRemove(int index)相对于remove(int index)少了检查索引越界的操作，可见jdk将性能优化到极致。
retainAll(Collection c)方法
求两个集合的交集。
public boolean retainAll(Collection<?> c) { // 集合c不能为null Objects.requireNonNull(c); // 调用批量删除方法，这时complement传入true，表示删除不包含在c中的元素 return batchRemove(c, true);}/*** 批量删除元素* complement为true表示删除c中不包含的元素* complement为false表示删除c中包含的元素*/private boolean batchRemove(Collection<?> c, boolean complement) { final Object[] elementData = this.elementData; // 使用读写两个指针同时遍历数组 // 读指针每次自增1，写指针放入元素的时候才加1 // 这样不需要额外的空间，只需要在原有的数组上操作就可以了 int r = 0, w = 0; boolean modified = false; try { // 遍历整个数组，如果c中包含该元素，则把该元素放到写指针的位置（以complement为准） for (; r < size; r++) if (c.contains(elementData[r]) == complement) elementData[w++] = elementData[r]; } finally { // 正常来说r最后是等于size的，除非c.contains()抛出了异常 if (r != size) { // 如果c.contains()抛出了异常，则把未读的元素都拷贝到写指针之后 System.arraycopy(elementData, r, elementData, w, size - r); w += size - r; } if (w != size) { // 将写指针之后的元素置为空，帮助GC for (int i = w; i < size; i++) elementData[i] = null; modCount += size - w; // 新大小等于写指针的位置（因为每写一次写指针就加1，所以新大小正好等于写指针的位置） size = w; modified = true; } } // 有修改返回true return modified;}（1）遍历elementData数组；
（2）如果元素在c中，则把这个元素添加到elementData数组的w位置并将w位置往后移一位；
（3）遍历完之后，w之前的元素都是两者共有的，w之后（包含）的元素不是两者共有的；
（4）将w之后（包含）的元素置为null，方便GC回收；
removeAll(Collection c)
求两个集合的单方向差集，只保留当前集合中不在c中的元素，不保留在c中不在当前集体中的元素。
public boolean removeAll(Collection<?> c) { // 集合c不能为空 Objects.requireNonNull(c); // 同样调用批量删除方法，这时complement传入false，表示删除包含在c中的元素 return batchRemove(c, false);}与retainAll(Collection c)方法类似，只是这里保留的是不在c中的元素。
总结
（1）ArrayList内部使用数组存储元素，当数组长度不够时进行扩容，每次加一半的空间，ArrayList不会进行缩容；
（2）ArrayList支持随机访问，通过索引访问元素极快，时间复杂度为O(1)；
（3）ArrayList添加元素到尾部极快，平均时间复杂度为O(1)；
（4）ArrayList添加元素到中间比较慢，因为要搬移元素，平均时间复杂度为O(n)；
（5）ArrayList从尾部删除元素极快，时间复杂度为O(1)；
（6）ArrayList从中间删除元素比较慢，因为要搬移元素，平均时间复杂度为O(n)；
（7）ArrayList支持求并集，调用addAll(Collection c)方法即可；
（8）ArrayList支持求交集，调用retainAll(Collection c)方法即可；
（7）ArrayList支持求单向差集，调用removeAll(Collection c)方法即可；
彩蛋
elementData设置成了transient，那ArrayList是怎么把元素序列化的呢？
private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s) throws java.io.IOException{ // 防止序列化期间有修改 int expectedModCount = modCount; // 写出非transient非static属性（会写出size属性） s.defaultWriteObject(); // 写出元素个数 s.writeInt(size); // 依次写出元素 for (int i=0; i<size; i++) { s.writeObject(elementData[i]); } // 如果有修改，抛出异常 if (modCount != expectedModCount) { throw new ConcurrentModificationException(); }}private void readObject(java.io.ObjectInputStream s) throws java.io.IOException, ClassNotFoundException { // 声明为空数组 elementData = EMPTY_ELEMENTDATA; // 读入非transient非static属性（会读取size属性） s.defaultReadObject(); // 读入元素个数，没什么用，只是因为写出的时候写了size属性，读的时候也要按顺序来读 s.readInt(); if (size > 0) { // 计算容量 int capacity = calculateCapacity(elementData, size); SharedSecrets.getJavaOISAccess().checkArray(s, Object[].class, capacity); // 检查是否需要扩容 ensureCapacityInternal(size); Object[] a = elementData; // 依次读取元素到数组中 for (int i=0; i<size; i++) { a[i] = s.readObject(); } }}查看writeObject()方法可知，先调用s.defaultWriteObject()方法，再把size写入到流中，再把元素一个一个的写入到流中。
一般地，只要实现了Serializable接口即可自动序列化，writeObject()和readObject()是为了自己控制序列化的方式，这两个方法必须声明为private，在java.io.ObjectStreamClass#getPrivateMethod()方法中通过反射获取到writeObject()这个方法。
在ArrayList的writeObject()方法中先调用了s.defaultWriteObject()方法，这个方法是写入非static非transient的属性，在ArrayList中也就是size属性。同样地，在readObject()方法中先调用了s.defaultReadObject()方法解析出了size属性。
elementData定义为transient的优势，自己根据size序列化真实的元素，而不是根据数组的长度序列化元素，减少了空间占用。
腾讯云开发者
