ArrayList實現原理（JDK1.8）
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
ArrayList 繼承於AbstractList，實現了List接口，其實AbstractList 已經實現過List接口，這里重復實現使得接口功能更加清晰，JDK中很多類都是如此。
其中Cloneable接口是克隆標記接口，Serializable序列化標記接口，需要clone和序列化功能必須實現這兩個接口，而RandomAccess，單純是一個標志接口 ，該接口表示該類支持快速隨機訪問，且在循環遍歷時for循環的方式會優於用迭代器。
1.成員變量
// 默認初始容量
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
// 空數組實例，初始容量為0或者傳入集合為空集合（不是null）時使用
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
// 空數組示例，無參構造時使用
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
// ArrayList內部數據容器
transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
// 實際元素數量
private int size;
在ArrayList中，主要有五個成員變量。DEFAULT_CAPACITY表示初始容量大小，即在我們初始化ArrayList時不指定容量大小， 默認容量將會是10，Object[] elementData 則是ArrayList內部實際存儲對象的容易，也就是我們常說的ArrayList是數組實現的。
在1.8中，空數組分為了兩類情況，EMPTY_ELEMENTDATA 與 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA，在標記空數組的時候區分了不同的情況。
2.構造方法
ArrayList有三個構造方法，指定容量的ArrayList(int initialCapacity) ，無參構造ArrayList() 以及傳入集合的ArrayList(Collection<? extends E> c)。
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
最簡單的莫過於無參構造，直接賦值為空數組DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA。其實對於常說的默認容量10，是在第一次添加元素調用add()方法時處理的，並不是構造方法中。
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);
}
}
對於傳入容量的構造方法，當傳入參數 > 0時，直接初始化對應容量的數組，參數類型為int，也即ArrayList的最大初始容量不能超過Integer.MAX_VALUE，事實上ArrayList的最大容量也只能是Integer.MAX_VALUE。而初始容量傳入0，會賦值為空數組EMPTY_ELEMENTDATA。如果 < 0，這個顯然的不允許了，直接IllegalArgumentException
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;
}
}
集合構造時，沒有進行null校驗，也就是說如果傳入null，直接就會NPE異常。集合構造的邏輯也很簡單，當傳入集合不為空時，調用Arrays.copyOf進行復制，並且容量 size為傳入大小，而傳入集合為空，則賦值為空數組EMPTY_ELEMENTDATA。
3.添加元素
ArrayList在添加元素時，都會進行容量確認，可能會涉及到擴容，數組復制，所以效率相對較低。同時在添加元素時，ArrayList並未對元素本身進行校驗，所以是允許集合中存在null的情況。
3.1.尾部添加元素
public boolean add(E e) {
// 確定容量
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
// 設值
elementData[size++] = e;
return true;
}
在add()方法中，最主要的是確定容量ensureCapacityInternal(int minCapacity)方法。
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}
首先會調用calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) 計算容量然后再ensureExplicitCapacity(int minCapacity)
private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
return minCapacity;
}
這里僅僅判斷了是否是空數組DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA（== 地址比較），如果前面還有印象的話，這個只會在無參構造時，才會初始化為DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA，這時候會取DEFAULT_CAPACITY（10）與傳入minCapacity的較大值，常說的默認容量大小10也就是在這里誕生的。
而其他的情況，都直接但會minCapacity，也即 size + 1，如果首次添加，那就是1。
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
modCount++;
// overflow-conscious code
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}
modCount是一個操作計數器，add與remove都會 + 1。當我們需要在循環中刪除ArrayList元素時，需要使用迭代器Iterator的remove()方法，此時直接使用List的刪除有針對modCount的校驗，會拋出 ConcurrentModificationException異常。
如果minCapacity大於數組容量，則調用grow(int minCapacity)進行擴容。
private void grow(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length;
// 新容量增長 0.5倍
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0) // MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
// minCapacity is usually close to size, so this is a win:
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
擴容時，新的容量為原容量 + 原容量的一半，也就是0.5倍增長。如果增長后的新容量比計算出來的容量minCapacity小，則賦值為minCapacity，如果大於MAX_ARRAY_SIZE(Integer.MAX_VALUE - 8)，則進入hugeCapacity(int minCapacity)方法。
private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
if (minCapacity < 0) // overflow
throw new OutOfMemoryError();
return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
Integer.MAX_VALUE :
MAX_ARRAY_SIZE;
}
這里可以看到，當minCapacity < 0 時，會產生OutOfMemoryError，這是一個Error子類，這是需要避免的。什么時候minCapacity會小於0呢，當ArrayList大小為Integer.MAX_VALUE后，還需要擴容，則會發生錯誤。
這個方法，我們可以看出，當ArrayList需要的容量首次大於MAX_ARRAY_SIZE時，會設置為MAX_ARRAY_SIZE，然后再次擴容時會變成Integer.MAX_VALUE，如果還不夠，那就會發生錯誤。
擴容的最后一步是調用Arrays.copyOf進行元素的復制，這個最終也是調用System.arraycopy進行操作的。同時size++，實際元素的數量也增加 1。
3.2.中間添加元素
public void add(int index, E element) {
rangeCheckForAdd(index);
// 確認容量大小
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index);
elementData[index] = element;
size++;
}
在中間添加元素的邏輯和尾部添加元素基本一樣。
private void rangeCheckForAdd(int index) {
if (index > size || index < 0)
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
添加元素前，首先要進行范圍檢查，添加的范圍只能在[0，size]之間，index == size時，其實就是尾部插入。然后確認容量新的容量，這個方法尾部添加時已經講過，接着數組復制，這步復制會跳過index位置的處理，最后再對index位置賦值，即完成了index位置的添加。
可以看到最后調用了size++，add(int index, E element)方法總是會添加元素，即使該index位置存在數據，只是會將原來的index位置數據往后擠動一位，並不會進行覆蓋。
3.3.批量添加
ArrayList除了add()與add(int index, E element)，還有兩個批量添加的方法。
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
Object[] a = c.toArray();
int numNew = a.length;
// 確認容量
ensureCapacityInternal(size + numNew); // Increments modCount
System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
size += numNew;
return numNew != 0;
}
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
// 范圍檢查
rangeCheckForAdd(index);
Object[] a = c.toArray();
int numNew = a.length;
// 確認容量
ensureCapacityInternal(size + numNew); // Increments modCount
int numMoved = size - index;
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew, numMoved);
System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);
size += numNew;
return numNew != 0;
}
有了前面單個元素的添加基礎，批量添加就很好懂了，唯一的區別就是在數組復制時，是復制整個待添加的集合。對於index位置的批量添加，中間插入的話（numMoved > 0），第一次復制會騰出中間要添加集合長度的位置，第二次將添加的集合復制到index位置。
4.修改元素
對於ArrayList中元素的修改，如果是對象屬性的修改，可以直接修改引用對象，但對於基本類型包裝類或者String呢，並沒有辦法通過引用修改，亦或者我們要更換對象引用，這時候就需要調用set(int index, E element)。
public E set(int index, E element) {
// 范圍檢查
rangeCheck(index);
E oldValue = elementData(index);
elementData[index] = element;
return oldValue;
}
這個方法實現很容易，ArrayList的修改本質就是對數組的值進行更改。首先進行范圍檢查，防止數組越界，這個很好理解，ArrayList內部就是數組，然后對index位置的值進行替換即可。
private void rangeCheck(int index) {
if (index >= size)
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
elementData(int index)獲取了原來的值，用於set返回值，elementData實現更加簡單，就是數組取值。
5.移除元素
ArrayList中移除元素的方法有三個，按索引刪除remove(int index)、按元素刪除remove(Object o)以及批量刪除removeAll(Collection<?> c)等。
5.1.索引刪除
public E remove(int index) {
// 范圍檢查
rangeCheck(index);
modCount++;
E oldValue = elementData(index);
int numMoved = size - index - 1;
// 是否刪除的最尾部
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
return oldValue;
}
由於移除元素，並不涉及內部數組大小變化，所以實現相對較簡單。必須要的范圍檢查，這個已經絲毫不陌生了，然后判斷是否是尾部刪除，如果不是尾部刪除，則進行System.arraycopy復制，復制的目的是將index后的元素向前挪動 1 位元素以覆蓋要刪除的index位置，然后size減 1。
在移除方法中，可以看到modCount進行增加。同時對移除后尾部的元素賦值為null了，讓GC生效。
5.2.按元素刪除
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;
}
按元素刪除的時候，首先判斷了元素是否為null，因為ArrayList中是可以添加null的，這里不同分支的邏輯是一樣的，都是遍歷集合比較是否和傳入元素相同，只是比較一個是 == null 一個是 equals。如果相同則刪除，然后return了，所以remove(Object o)方法只會刪除集合第一個與傳入對象相同的元素。
重點就是這個fastRemove了。
private void fastRemove(int index) {
modCount++;
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
}
看到這個方法第一感覺是什么？是不是似曾相識，沒錯，fastRemove和按指針刪除基本上市一樣的，只是少了范圍校驗和獲取刪除前的元素這兩步。
5.3.批量刪除
public boolean removeAll(Collection<?> c) {
Objects.requireNonNull(c);
return batchRemove(c, false);
}
對於removeAll(Collection< ? > c)，校驗非空后調用了batchRemove(Collection< ? > c, boolean complement)。
private boolean batchRemove(Collection<?> c, boolean complement) {
final Object[] elementData = this.elementData;
int r = 0, w = 0;
boolean modified = false;
try {
for (; r < size; r++)
// 找出不需要移除的元素，放在數組的前面
if (c.contains(elementData[r]) == complement)
elementData[w++] = elementData[r];
} finally {
// Preserve behavioral compatibility with AbstractCollection,
// even if c.contains() throws.
if (r != size) {
System.arraycopy(elementData, r, elementData, w, size - r);
w += size - r;
}
if (w != size) {
// clear to let GC do its work
for (int i = w; i < size; i++)
elementData[i] = null;
modCount += size - w;
size = w;
modified = true;
}
}
return modified;
}
這個方法看着可能有一點點繞，但明白其原理后就很清晰了，首先遍歷數組，找出在要移除數組中不包含的元素，從原數組頭部開始放，這樣的數有w個，即最終數組前w個元素都是在集合c中包含的，而剩下的位置的元素則不關心，最后就是講w到size的元素賦值為null，以便GC工作。
6.循環刪除
前面也提到了，ArrayList在循環刪除時會報錯，這個究竟是怎么回事呢？
如果我們想刪除一個集合中全部的某一個元素，例如下面集合ss中的a元素。
List<String> ss = new ArrayList<>();
ss.add("a");
ss.add("b");
ss.add("a");
ss.add("b");
ss.add("c");
當我們需要刪除一個時，我們可以調用remove方法刪除，根據索引或者根據元素都用，但是多個時，我們不知道每一個元素的索引，而根據值也不知道有多少個a存在，所以我們需要遍歷集合。
這時候就可能存在問題了。
for (String s : ss) {
if("a".equals(s)){
ss.remove(s);
}
}
無論是fori的還是foreach的刪除，都會拋出java.util.ConcurrentModificationException，這是因為Arraylist循環時每一次取值都會調用其內部類Itr.next()方法。
public E next() {
// 校驗modCount
checkForComodification();
int i = cursor;
if (i >= size)
throw new NoSuchElementException();
Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
if (i >= elementData.length)
throw new ConcurrentModificationException();
cursor = i + 1;
return (E) elementData[lastRet = i];
}
在該方法最開始的地方，有校驗modCount的checkForComodification()方法，這個方法中比較了modCount和expectedModCount，不相等就會拋出ConcurrentModificationException異常。
final void checkForComodification() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
那expectedModCount到底是什么，為什么和modCount不相等呢。
private class Itr implements Iterator<E> {
int cursor; // index of next element to return
int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such
int expectedModCount = modCount;
expectedModCount是Itr的成員變量，這個在進行循環時會初始化賦值為modCount，最開始的時候他們是相等的，經過前面的探究，我們已經知道在remove調用時modCount會自增，所以checkForComodification就會拋出異常。
而我們常使用的這個做法就是使用 Itr 的remove。
Iterator<String> it = ss.iterator();
while (it.hasNext()){
if("a".equals(it.next())){
it.remove();
}
}
這樣刪除時就沒有任何問題了，這是因為 Itr 的remove中，對expectedModCount進行了重新賦值，使得每一次調用后值都相等。
public void remove() {
if (lastRet < 0)
throw new IllegalStateException();
checkForComodification();
try {
// 調用ArrayList的刪除
ArrayList.this.remove(lastRet);
cursor = lastRet;
lastRet = -1;
// expectedModCount重新賦值
expectedModCount = modCount;
} catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
7.其他方法
ArrayList中主要的就是構造方法、add和remove了，這幾個方法看懂后，其他方法實現就比較清晰了。
比如get方法，其實就是根據索引獲取了數組的元素。
public E get(int index) {
// 范圍檢查
rangeCheck(index);
// 從數組獲取值，即 elementData[index]
return elementData(index);
}
例如size方法， 就是返回了size屬性的值。
public int size() {
return size;
}
而isEmpty方法，就是判斷size是否為0.
public boolean isEmpty() {
return size == 0;
}
在ArrayList中，有一個獲取子集合的subList方法，這個方法返回的是一個內部類SubList，該類並沒重新創建新的數組，依舊持有了ArrayList數組的元素的引用，所以當修改ArrayList元素的時候，SubList的元素也會跟着修改，這個在實際開發中一定要注意。
public List<E> subList(int fromIndex, int toIndex) {
subListRangeCheck(fromIndex, toIndex, size);
return new SubList(this, 0, fromIndex, toIndex);
}