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《Java集合类》中讲述了ArrayList的基础使用，本文将深入剖析ArrayList的内部结构及实现原理，以便更好的、更高效的使用它。
ArrayList就是传说中的动态数组，就是Array的复杂版本，它提供了如下一些好处：动态的增加和减少元素、灵活的设置数组的大小......
认真阅读本文，我相信一定会对你有帮助。比如为什么ArrayList里面提供了一个受保护的removeRange方法？提供了其他没有被调用过的私有方法？
首先看到对ArrayList的定义：
1 public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
从ArrayList<E>可以看出它是支持泛型的，它继承自AbstractList，实现了List、RandomAccess、Cloneable、java.io.Serializable接口。
AbstractList提供了List接口的默认实现（个别方法为抽象方法）。
List接口定义了列表必须实现的方法。
RandomAccess是一个标记接口，接口内没有定义任何内容。
实现了Cloneable接口的类，可以调用Object.clone方法返回该对象的浅拷贝。
通过实现 java.io.Serializable 接口以启用其序列化功能。未实现此接口的类将无法使其任何状态序列化或反序列化。序列化接口没有方法或字段，仅用于标识可序列化的语义。
ArrayList的属性
ArrayList定义只定义类两个私有属性：
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存储ArrayList内的元素，size表示它包含的元素的数量。
有个关键字需要解释：transient。
Java的serialization提供了一种持久化对象实例的机制。当持久化对象时，可能有一个特殊的对象数据成员，我们不想用serialization机制来保存它。为了在一个特定对象的一个域上关闭serialization，可以在这个域前加上关键字transient。
transient是Java语言的关键字，用来表示一个域不是该对象串行化的一部分。当一个对象被串行化的时候，transient型变量的值不包括在串行化的表示中，然而非transient型的变量是被包括进去的。
有点抽象，看个例子应该能明白。
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("张三", "123456"); 19 System.out.println(userInfo); 20 try { 21 // 序列化，被设置为transient的属性没有被序列化 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 // 重新读取内容 32 ObjectInputStream in = new ObjectInputStream(new FileInputStream( 33 "UserInfo.out")); 34 UserInfo readUserInfo = (UserInfo) in.readObject(); 35 //读取后psw的内容为null 36 System.out.println(readUserInfo.toString()); 37 } catch (Exception e) { 38 // TODO: handle exception 39 e.printStackTrace(); 40 } 41 } 42 }
被标记为transient的属性在对象被序列化的时候不会被保存。
接着回到ArrayList的分析中......
ArrayList的构造方法
看完属性看构造方法。ArrayList提供了三个构造方法：
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 }
第一个构造方法使用提供的initialCapacity来初始化elementData数组的大小。第二个构造方法调用第一个构造方法并传入参数10，即默认elementData数组的大小为10。第三个构造方法则将提供的集合转成数组返回给elementData（返回若不是Object[]将调用Arrays.copyOf方法将其转为Object[]）。
ArrayList的其他方法
add(E e)
add(E e)都知道是在尾部添加一个元素，如何实现的呢？
public boolean add(E e) { ensureCapacity(size + 1); // Increments modCount!! elementData[size++] = e; return true; }
书上都说ArrayList是基于数组实现的，属性中也看到了数组，具体是怎么实现的呢？比如就这个添加元素的方法，如果数组大，则在将某个位置的值设置为指定元素即可，如果数组容量不够了呢？
看到add(E e)中先调用了ensureCapacity(size+1)方法，之后将元素的索引赋给elementData[size]，而后size自增。例如初次添加时，size为0，add将elementData[0]赋值为e，然后size设置为1（类似执行以下两条语句elementData[0]=e;size=1）。将元素的索引赋给elementData[size]不是会出现数组越界的情况吗？这里关键就在ensureCapacity(size+1)中了。
根据ensureCapacity的方法名可以知道是确保容量用的。ensureCapacity(size+1)后面的注释可以明白是增加modCount的值（加了俩感叹号，应该蛮重要的，来看看）。
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.
这是对modCount的解释，意为记录list结构被改变的次数（观察源码可以发现每次调用ensureCapacoty方法，modCount的值都将增加，但未必数组结构会改变，所以感觉对modCount的解释不是很到位）。
增加modCount之后，判断minCapacity（即size+1）是否大于oldCapacity（即elementData.length），若大于，则调整容量为max((oldCapacity*3)/2+1,minCapacity)，调整elementData容量为新的容量，即将返回一个内容为原数组元素，大小为新容量的数组赋给elementData；否则不做操作。
所以调用ensureCapacity至少将elementData的容量增加的1，所以elementData[size]不会出现越界的情况。
容量的拓展将导致数组元素的复制，多次拓展容量将执行多次整个数组内容的复制。若提前能大致判断list的长度，调用ensureCapacity调整容量，将有效的提高运行速度。
可以理解提前分配好空间可以提高运行速度，但是测试发现提高的并不是很大，而且若list原本数据量就不会很大效果将更不明显。
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 }
首先判断指定位置index是否超出elementData的界限，之后调用ensureCapacity调整容量（若容量足够则不会拓展），调用System.arraycopy将elementData从index开始的size-index个元素复制到index+1至size+1的位置（即index开始的元素都向后移动一个位置），然后将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 }
先将集合c转换成数组，根据转换后数组的程度和ArrayList的size拓展容量，之后调用System.arraycopy方法复制元素到elementData的尾部，调整size。根据返回的内容分析，只要集合c的大小不为空，即转换后的数组长度不为0则返回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 }
先判断index是否越界。其他内容与addAll(Collection<? extends E> c)基本一致，只是复制的时候先将index开始的元素向后移动X（c转为数组后的长度）个位置（也是一个复制的过程），之后将数组内容复制到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的时候并没有修改elementData的长度（好不容易申请、拓展来的，凭什么释放，留着搞不好还有用呢。这使得确定不再修改list内容之后最好调用trimToSize来释放掉一些空间），只是将所有元素置为null，size设置为0。
clone()
返回此 ArrayList 实例的浅表副本。（不复制这些元素本身。）
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 }
调用父类的clone方法返回一个对象的副本，将返回对象的elementData数组的内容赋值为原对象elementData数组的内容，将副本的modCount设置为0。
contains(Object)
1 public boolean contains(Object o) { 2 return indexOf(o) >= 0; 3 }
indexOf方法返回值与0比较来判断对象是否在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 }
通过遍历elementData数组来判断对象是否在list中，若存在，返回index（[0,size-1]），若不存在则返回-1。所以contains方法可以通过indexOf(Object)方法的返回值来判断对象是否被包含在list中。
既然看了indexOf(Object)方法，接着就看lastIndexOf，光看名字应该就明白了返回的是传入对象在elementData数组中最后出现的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 }
采用了从后向前遍历element数组，若遇到Object则返回index值，若没有遇到，返回-1。
get(int index)
这个方法看着很简单，应该是返回elementData[index]就完了。
1 public E get(int index) { 2 RangeCheck(index); 3 4 return (E) elementData[index]; 5 }
但看代码的时候看到调用了RangeCheck方法，而且还是大写的方法，看看究竟有什么内容吧。
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 }
就是检查一下是不是超出数组界限了，超出了就抛出IndexOutBoundsException异常。为什么要大写呢？？？
isEmpty()
直接返回size是否等于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 }
首先是检查范围，修改modCount，保留将要被移除的元素，将移除位置之后的元素向前挪动一个位置，将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 }
首先通过代码可以看到，当移除成功后返回true，否则返回false。remove(Object o)中通过遍历element寻找是否存在传入对象，一旦找到就调用fastRemove移除对象。为什么找到了元素就知道了index，不通过remove(index)来移除元素呢？因为fastRemove跳过了判断边界的处理，因为找到元素就相当于确定了index不会超过边界，而且fastRemove并不返回被移除的元素。下面是fastRemove的代码，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 }
执行过程是将elementData从toIndex位置开始的元素向前移动到fromIndex，然后将toIndex位置之后的元素全部置空顺便修改size。
这个方法是protected，及受保护的方法，为什么这个方法被定义为protected呢？
这是一个解释，但是可能不容易看明白。http://stackoverflow.com/questions/2289183/why-is-javas-abstractlists-removerange-method-protected
先看下面这个例子
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);
输出结果是[0, 1, 4, 5, 6]，结果是不是像调用了removeRange(int fromIndex,int toIndex)！哈哈哈，就是这样的。但是为什么效果相同呢？是不是调用了removeRange(int fromIndex,int toIndex)呢？这个问题将领写一篇博文讨论。
《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 }
首先检查范围，用新元素替换旧元素并返回旧元素。
size()
size()方法直接返回size。
toArray()
1 public Object[] toArray() { 2 return Arrays.copyOf(elementData, size); 3 }
调用Arrays.copyOf将返回一个数组，数组内容是size个elementData的元素，即拷贝elementData从0至size-1位置的元素到新数组并返回。
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 }
如果传入数组的长度小于size，返回一个新的数组，大小为size，类型与传入数组相同。所传入数组长度与size相等，则将elementData复制到传入数组中并返回传入的数组。若传入数组长度大于size，除了复制elementData外，还将把返回数组的第size个元素置为空。
trimToSize()
1 public void trimToSize() { 2 modCount++; 3 int oldCapacity = elementData.length; 4 if (size < oldCapacity) { 5 elementData = Arrays.copyOf(elementData, size); 6 } 7 }
由于elementData的长度会被拓展，size标记的是其中包含的元素的个数。所以会出现size很小但elementData.length很大的情况，将出现空间的浪费。trimToSize将返回一个新的数组给elementData，元素内容保持不变，length很size相同，节省空间。
学习Java最好的方式还必须是读源码。读完源码你才会发现这东西为什么是这么玩的，有哪些限制，关键点在哪里等等。而且这些源码都是大牛们写的，你能从中学习到很多。