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《Java集合類》中講述了ArrayList的基礎使用，本文將深入剖析ArrayList的內部結構及實現原理，以便更好的、更高效的使用它。
ArrayList就是傳說中的動態數組，就是Array的復雜版本，它提供了如下一些好處：動態的增加和減少元素、靈活的設置數組的大小......
認真閱讀本文，我相信一定會對你有幫助。比如為什么ArrayList里面提供了一個受保護的removeRange方法？提供了其他沒有被調用過的私有方法？
首先看到對ArrayList的定義：
1 public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
從ArrayList<E>可以看出它是支持泛型的，它繼承自AbstractList，實現了List、RandomAccess、Cloneable、java.io.Serializable接口。
AbstractList提供了List接口的默認實現（個別方法為抽象方法）。
List接口定義了列表必須實現的方法。
RandomAccess是一個標記接口，接口內沒有定義任何內容。
實現了Cloneable接口的類，可以調用Object.clone方法返回該對象的淺拷貝。
通過實現 java.io.Serializable 接口以啟用其序列化功能。未實現此接口的類將無法使其任何狀態序列化或反序列化。序列化接口沒有方法或字段，僅用於標識可序列化的語義。
ArrayList的屬性
ArrayList定義只定義類兩個私有屬性：
1 /** 2 * The array buffer into which the elements of the ArrayList are stored. 3 * The capacity of the ArrayList is the length of this array buffer. 4 */ 5 private transient Object[] elementData; 6 7 /** 8 * The size of the ArrayList (the number of elements it contains). 9 * 10 * @serial 11 */ 12 private int size;
很容易理解，elementData存儲ArrayList內的元素，size表示它包含的元素的數量。
有個關鍵字需要解釋：transient。
Java的serialization提供了一種持久化對象實例的機制。當持久化對象時，可能有一個特殊的對象數據成員，我們不想用serialization機制來保存它。為了在一個特定對象的一個域上關閉serialization，可以在這個域前加上關鍵字transient。
transient是Java語言的關鍵字，用來表示一個域不是該對象串行化的一部分。當一個對象被串行化的時候，transient型變量的值不包括在串行化的表示中，然而非transient型的變量是被包括進去的。
有點抽象，看個例子應該能明白。
1 public class UserInfo implements Serializable { 2 private static final long serialVersionUID = 996890129747019948L; 3 private String name; 4 private transient String psw; 5 6 public UserInfo(String name, String psw) { 7 this.name = name; 8 this.psw = psw; 9 } 10 11 public String toString() { 12 return "name=" + name + ", psw=" + psw; 13 } 14 } 15 16 public class TestTransient { 17 public static void main(String[] args) { 18 UserInfo userInfo = new UserInfo("張三", "123456"); 19 System.out.println(userInfo); 20 try { 21 // 序列化，被設置為transient的屬性沒有被序列化 22 ObjectOutputStream o = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream( 23 "UserInfo.out")); 24 o.writeObject(userInfo); 25 o.close(); 26 } catch (Exception e) { 27 // TODO: handle exception 28 e.printStackTrace(); 29 } 30 try { 31 // 重新讀取內容 32 ObjectInputStream in = new ObjectInputStream(new FileInputStream( 33 "UserInfo.out")); 34 UserInfo readUserInfo = (UserInfo) in.readObject(); 35 //讀取后psw的內容為null 36 System.out.println(readUserInfo.toString()); 37 } catch (Exception e) { 38 // TODO: handle exception 39 e.printStackTrace(); 40 } 41 } 42 }
被標記為transient的屬性在對象被序列化的時候不會被保存。
接着回到ArrayList的分析中......
ArrayList的構造方法
看完屬性看構造方法。ArrayList提供了三個構造方法：
1 /** 2 * Constructs an empty list with the specified initial capacity. 3 */ 4 public ArrayList(int initialCapacity) { 5 super(); 6 if (initialCapacity < 0) 7 throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+ 8 initialCapacity); 9 this.elementData = new Object[initialCapacity]; 10 } 11 12 /** 13 * Constructs an empty list with an initial capacity of ten. 14 */ 15 public ArrayList() { 16 this(10); 17 } 18 19 /** 20 * Constructs a list containing the elements of the specified 21 * collection, in the order they are returned by the collection's 22 * iterator. 23 */ 24 public ArrayList(Collection<? extends E> c) { 25 elementData = c.toArray(); 26 size = elementData.length; 27 // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652) 28 if (elementData.getClass() != Object[].class) 29 elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class); 30 }
第一個構造方法使用提供的initialCapacity來初始化elementData數組的大小。第二個構造方法調用第一個構造方法並傳入參數10，即默認elementData數組的大小為10。第三個構造方法則將提供的集合轉成數組返回給elementData（返回若不是Object[]將調用Arrays.copyOf方法將其轉為Object[]）。
ArrayList的其他方法
add(E e)
add(E e)都知道是在尾部添加一個元素，如何實現的呢？
public boolean add(E e) { ensureCapacity(size + 1); // Increments modCount!! elementData[size++] = e; return true; }
書上都說ArrayList是基於數組實現的，屬性中也看到了數組，具體是怎么實現的呢？比如就這個添加元素的方法，如果數組大，則在將某個位置的值設置為指定元素即可，如果數組容量不夠了呢？
看到add(E e)中先調用了ensureCapacity(size+1)方法，之后將元素的索引賦給elementData[size]，而后size自增。例如初次添加時，size為0，add將elementData[0]賦值為e，然后size設置為1（類似執行以下兩條語句elementData[0]=e;size=1）。將元素的索引賦給elementData[size]不是會出現數組越界的情況嗎？這里關鍵就在ensureCapacity(size+1)中了。
根據ensureCapacity的方法名可以知道是確保容量用的。ensureCapacity(size+1)后面的注釋可以明白是增加modCount的值（加了倆感嘆號，應該蠻重要的，來看看）。
1 /** 2 * Increases the capacity of this <tt>ArrayList</tt> instance, if 3 * necessary, to ensure that it can hold at least the number of elements 4 * specified by the minimum capacity argument. 5 * 6 * @param minCapacity the desired minimum capacity 7 */ 8 public void ensureCapacity(int minCapacity) { 9 modCount++; 10 int oldCapacity = elementData.length; 11 if (minCapacity > oldCapacity) { 12 Object oldData[] = elementData; 13 int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1; 14 if (newCapacity < minCapacity) 15 newCapacity = minCapacity; 16 // minCapacity is usually close to size, so this is a win: 17 elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); 18 } 19 }
The number of times this list has been structurally modified.
這是對modCount的解釋，意為記錄list結構被改變的次數（觀察源碼可以發現每次調用ensureCapacoty方法，modCount的值都將增加，但未必數組結構會改變，所以感覺對modCount的解釋不是很到位）。
增加modCount之后，判斷minCapacity（即size+1）是否大於oldCapacity（即elementData.length），若大於，則調整容量為max((oldCapacity*3)/2+1,minCapacity)，調整elementData容量為新的容量，即將返回一個內容為原數組元素，大小為新容量的數組賦給elementData；否則不做操作。
所以調用ensureCapacity至少將elementData的容量增加的1，所以elementData[size]不會出現越界的情況。
容量的拓展將導致數組元素的復制，多次拓展容量將執行多次整個數組內容的復制。若提前能大致判斷list的長度，調用ensureCapacity調整容量，將有效的提高運行速度。
可以理解提前分配好空間可以提高運行速度，但是測試發現提高的並不是很大，而且若list原本數據量就不會很大效果將更不明顯。
add(int index, E element)
add(int index,E element)在指定位置插入元素。
1 public void add(int index, E element) { 2 if (index > size || index < 0) 3 throw new IndexOutOfBoundsException( 4 "Index: "+index+", Size: "+size); 5 6 ensureCapacity(size+1); // Increments modCount!! 7 System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, 8 size - index); 9 elementData[index] = element; 10 size++; 11 }
首先判斷指定位置index是否超出elementData的界限，之后調用ensureCapacity調整容量（若容量足夠則不會拓展），調用System.arraycopy將elementData從index開始的size-index個元素復制到index+1至size+1的位置（即index開始的元素都向后移動一個位置），然后將index位置的值指向element。
addAll(Collection<? extends E> c)
1 public boolean addAll(Collection<? extends E> c) { 2 Object[] a = c.toArray(); 3 int numNew = a.length; 4 ensureCapacity(size + numNew); // Increments modCount 5 System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew); 6 size += numNew; 7 return numNew != 0; 8 }
先將集合c轉換成數組，根據轉換后數組的程度和ArrayList的size拓展容量，之后調用System.arraycopy方法復制元素到elementData的尾部，調整size。根據返回的內容分析，只要集合c的大小不為空，即轉換后的數組長度不為0則返回true。
addAll(int index,Collection<? extends E> c)
1 public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) { 2 if (index > size || index < 0) 3 throw new IndexOutOfBoundsException( 4 "Index: " + index + ", Size: " + size); 5 6 Object[] a = c.toArray(); 7 int numNew = a.length; 8 ensureCapacity(size + numNew); // Increments modCount 9 10 int numMoved = size - index; 11 if (numMoved > 0) 12 System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew, 13 numMoved); 14 15 System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew); 16 size += numNew; 17 return numNew != 0; 18 }
先判斷index是否越界。其他內容與addAll(Collection<? extends E> c)基本一致，只是復制的時候先將index開始的元素向后移動X（c轉為數組后的長度）個位置（也是一個復制的過程），之后將數組內容復制到elementData的index位置至index+X。
clear()
1 public void clear() { 2 modCount++; 3 4 // Let gc do its work 5 for (int i = 0; i < size; i++) 6 elementData[i] = null; 7 8 size = 0; 9 }
clear的時候並沒有修改elementData的長度（好不容易申請、拓展來的，憑什么釋放，留着搞不好還有用呢。這使得確定不再修改list內容之后最好調用trimToSize來釋放掉一些空間），只是將所有元素置為null，size設置為0。
clone()
返回此 ArrayList 實例的淺表副本。（不復制這些元素本身。）
1 public Object clone() { 2 try { 3 ArrayList<E> v = (ArrayList<E>) super.clone(); 4 v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, size); 5 v.modCount = 0; 6 return v; 7 } catch (CloneNotSupportedException e) { 8 // this shouldn't happen, since we are Cloneable 9 throw new InternalError(); 10 } 11 }
調用父類的clone方法返回一個對象的副本，將返回對象的elementData數組的內容賦值為原對象elementData數組的內容，將副本的modCount設置為0。
contains(Object)
1 public boolean contains(Object o) { 2 return indexOf(o) >= 0; 3 }
indexOf方法返回值與0比較來判斷對象是否在list中。接着看indexOf。
indexOf(Object)
1 public int indexOf(Object o) { 2 if (o == null) { 3 for (int i = 0; i < size; i++) 4 if (elementData[i]==null) 5 return i; 6 } else { 7 for (int i = 0; i < size; i++) 8 if (o.equals(elementData[i])) 9 return i; 10 } 11 return -1; 12 }
通過遍歷elementData數組來判斷對象是否在list中，若存在，返回index（[0,size-1]），若不存在則返回-1。所以contains方法可以通過indexOf(Object)方法的返回值來判斷對象是否被包含在list中。
既然看了indexOf(Object)方法，接着就看lastIndexOf，光看名字應該就明白了返回的是傳入對象在elementData數組中最后出現的index值。
1 public int lastIndexOf(Object o) { 2 if (o == null) { 3 for (int i = size-1; i >= 0; i--) 4 if (elementData[i]==null) 5 return i; 6 } else { 7 for (int i = size-1; i >= 0; i--) 8 if (o.equals(elementData[i])) 9 return i; 10 } 11 return -1; 12 }
采用了從后向前遍歷element數組，若遇到Object則返回index值，若沒有遇到，返回-1。
get(int index)
這個方法看着很簡單，應該是返回elementData[index]就完了。
1 public E get(int index) { 2 RangeCheck(index); 3 4 return (E) elementData[index]; 5 }
但看代碼的時候看到調用了RangeCheck方法，而且還是大寫的方法，看看究竟有什么內容吧。
1 /** 2 * Checks if the given index is in range. 3 */ 4 private void RangeCheck(int index) { 5 if (index >= size) 6 throw new IndexOutOfBoundsException( 7 "Index: "+index+", Size: "+size); 8 }
就是檢查一下是不是超出數組界限了，超出了就拋出IndexOutBoundsException異常。為什么要大寫呢？？？
isEmpty()
直接返回size是否等於0。
remove(int index)
1 public E remove(int index) { 2 RangeCheck(index); 3 modCount++; 4 E oldValue = (E) elementData[index]; 5 int numMoved = size - index - 1; 6 if (numMoved > 0) 7 System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, 8 numMoved); 9 elementData[--size] = null; // Let gc do its work 10 return oldValue; 11 }
首先是檢查范圍，修改modCount，保留將要被移除的元素，將移除位置之后的元素向前挪動一個位置，將list末尾元素置空（null），返回被移除的元素。
remove(Object o)
1 public boolean remove(Object o) { 2 if (o == null) { 3 for (int index = 0; index < size; index++) 4 if (elementData[index] == null) { 5 fastRemove(index); 6 return true; 7 } 8 } else { 9 for (int index = 0; index < size; index++) 10 if (o.equals(elementData[index])) { 11 fastRemove(index); 12 return true; 13 } 14 } 15 return false; 16 }
首先通過代碼可以看到，當移除成功后返回true，否則返回false。remove(Object o)中通過遍歷element尋找是否存在傳入對象，一旦找到就調用fastRemove移除對象。為什么找到了元素就知道了index，不通過remove(index)來移除元素呢？因為fastRemove跳過了判斷邊界的處理，因為找到元素就相當於確定了index不會超過邊界，而且fastRemove並不返回被移除的元素。下面是fastRemove的代碼，基本和remove(index)一致。
1 private void fastRemove(int index) { 2 modCount++; 3 int numMoved = size - index - 1; 4 if (numMoved > 0) 5 System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, 6 numMoved); 7 elementData[--size] = null; // Let gc do its work 8 }
removeRange(int fromIndex,int toIndex)
1 protected void removeRange(int fromIndex, int toIndex) { 2 modCount++; 3 int numMoved = size - toIndex; 4 System.arraycopy(elementData, toIndex, elementData, fromIndex, 5 numMoved); 6 7 // Let gc do its work 8 int newSize = size - (toIndex-fromIndex); 9 while (size != newSize) 10 elementData[--size] = null; 11 }
執行過程是將elementData從toIndex位置開始的元素向前移動到fromIndex，然后將toIndex位置之后的元素全部置空順便修改size。
這個方法是protected，及受保護的方法，為什么這個方法被定義為protected呢？
這是一個解釋，但是可能不容易看明白。http://stackoverflow.com/questions/2289183/why-is-javas-abstractlists-removerange-method-protected
先看下面這個例子
1 ArrayList<Integer> ints = new ArrayList<Integer>(Arrays.asList(0, 1, 2, 2 3, 4, 5, 6)); 3 // fromIndex low endpoint (inclusive) of the subList 4 // toIndex high endpoint (exclusive) of the subList 5 ints.subList(2, 4).clear(); 6 System.out.println(ints);
輸出結果是[0, 1, 4, 5, 6]，結果是不是像調用了removeRange(int fromIndex,int toIndex)！哈哈哈，就是這樣的。但是為什么效果相同呢？是不是調用了removeRange(int fromIndex,int toIndex)呢？這個問題將領寫一篇博文討論。
《ArrayList removeRange方法深入分析》：http://www.cnblogs.com/hzmark/archive/2012/12/19/ArrayList_removeRange.html
set(int index,E element)
1 public E set(int index, E element) { 2 RangeCheck(index); 3 4 E oldValue = (E) elementData[index]; 5 elementData[index] = element; 6 return oldValue; 7 }
首先檢查范圍，用新元素替換舊元素並返回舊元素。
size()
size()方法直接返回size。
toArray()
1 public Object[] toArray() { 2 return Arrays.copyOf(elementData, size); 3 }
調用Arrays.copyOf將返回一個數組，數組內容是size個elementData的元素，即拷貝elementData從0至size-1位置的元素到新數組並返回。
toArray(T[] a)
1 public <T> T[] toArray(T[] a) { 2 if (a.length < size) 3 // Make a new array of a's runtime type, but my contents: 4 return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass()); 5 System.arraycopy(elementData, 0, a, 0, size); 6 if (a.length > size) 7 a[size] = null; 8 return a; 9 }
如果傳入數組的長度小於size，返回一個新的數組，大小為size，類型與傳入數組相同。所傳入數組長度與size相等，則將elementData復制到傳入數組中並返回傳入的數組。若傳入數組長度大於size，除了復制elementData外，還將把返回數組的第size個元素置為空。
trimToSize()
1 public void trimToSize() { 2 modCount++; 3 int oldCapacity = elementData.length; 4 if (size < oldCapacity) { 5 elementData = Arrays.copyOf(elementData, size); 6 } 7 }
由於elementData的長度會被拓展，size標記的是其中包含的元素的個數。所以會出現size很小但elementData.length很大的情況，將出現空間的浪費。trimToSize將返回一個新的數組給elementData，元素內容保持不變，length很size相同，節省空間。
學習Java最好的方式還必須是讀源碼。讀完源碼你才會發現這東西為什么是這么玩的，有哪些限制，關鍵點在哪里等等。而且這些源碼都是大牛們寫的，你能從中學習到很多。