ArrayList是我们经常使用的一个数据结构，我们通常把其用作一个可变长度的动态数组使用，大部分时候，可以替代数组的作用，我们不用事先设定ArrayList的长度，只需要往里不断添加元素即可，ArrayList会动态增加容量。ArrayList是作为List接口的一个实现。

那么ArrayList背后使用的数据结构是什么呢？

ArrayList是如何保证动态增加容量，使得能够正确添加元素的呢？

要回答上面的问题，我们就需要对ArrayList的源码进行一番分析，深入了解其实现原理的话，我们就自然能够解答上述问题。

本文基于JDK1.8

ArrayList使用的存储的数据结构

从源码中我们可以发现，ArrayList使用的存储的数据结构是Object的对象数组。

其实这也不能想象，我们知道ArrayList是支持随机存取的类似于数组，所以自然不可能是链表结构。

/**
 * The array buffer into which the elements of the ArrayList are stored.
 * The capacity of the ArrayList is the length of this array buffer. Any
 * empty ArrayList with elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
 * will be expanded to DEFAULT_CAPACITY when the first element is added.
 */
transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access

我想大家一定对这里出现的transient关键字很疑惑，我们都知道ArrayList对象是可序列化的，但这里为什么要用transient关键字修饰它呢？查看源码，我们发现ArrayList实现了自己的readObject和writeObject方法，所以这保证了ArrayList的可序列化。

ArrayList的初始化

ArrayList提供了三个构造函数。下面我们依次来分析

public ArrayList(int initialCapacity)当我们初始化的时候，给ArrayList指定一个初始化大小的时候，就会调用这个构造方法。

源码中这个方法的实现：

/**
 * 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);
    }
}

这里的EMPTY_ELEMENTDATA实际上就是一个共享的空的Object数组对象。

/**
 * Shared empty array instance used for empty instances.
 */
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

上述代码很容易理解，如果用户指定的初始化容量大于0，就new一个相应大小的数组，如果指定的大小为0，就复制为共享的那个空的Object数组对象。如果小于0，就直接抛出异常。

public ArrayList()默认的空的构造函数。
源码中的实现：

/**
 * Constructs an empty list with an initial capacity of ten.
 */
public ArrayList() {
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

其中DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA定义为

/**
 * Shared empty array instance used for default sized empty instances. We
 * distinguish this from EMPTY_ELEMENTDATA to know how much to inflate when
 * first element is added.
 */
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

注释中解释的很清楚，就是说刚初始化的时候，会是一个共享的类变量，也就是一个Object空数组，当第一次add的时候，这个数组就会被初始化一个大小为10的数组。

public ArrayList(Collection<? extends E> c)如果我们想要初始化一个list，这个list包含另外一个特定的collection的元素，那么我们就可以调用这个构造函数。
源码中的实现

/**
 * 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;
    }
}

首先调用给定的collection的toArray方法将其转换成一个Array。

然后根据这个array的大小进行判断，如果不为0，就调用Arrays的copyOf的方法，复制到Object数组中，完成初始化，如果为0，就直接初始化为空的Object数组。

ArrayList是如何动态增长

当我们像一个ArrayList中添加数组的时候，首先会先检查数组中是不是有足够的空间来存储这个新添加的元素。如果有的话，那就什么都不用做，直接添加。如果空间不够用了，那么就根据原始的容量增加原始容量的一半。
源码中是如此实现的：

/**
 * Appends the specified element to the end of this list.
 *
 * @param e element to be appended to this list
 * @return <tt>true</tt> (as specified by {@link Collection#add})
 */
public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

ensureCapacityInternal的实现如下：

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    ensureExplicitCapacity(minCapacity);
    }

DEFAULT_CAPACITY为：

1	private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

这也就实现了当我们不指定初始化大小的时候，添加第一个元素的时候，数组会扩容为10.

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;

    // overflow-conscious code
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);
}

这个函数判断是否需要扩容，如果需要就调用grow方法扩容

/**
 * Increases the capacity to ensure that it can hold at least the
 * number of elements specified by the minimum capacity argument.
 *
 * @param minCapacity the desired minimum capacity
 */
private void grow(int minCapacity) {
    // overflow-conscious code
    int oldCapacity = elementData.length;
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    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);
}

我们可以看到grow方法将数组扩容为原数组的1.5倍，调用的是Arrays.copy方法。在JDK6及之前的版本中，采用的还不是右移的方法。

1	int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1;

现在已经优化成右移了。

1	int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);

ArrayList如何实现元素的移除

我们移除元素的时候，有两种方法，一是指定下标，二是指定对象

public E remove(int index)

/**
 * Removes the element at the specified position in this list.
 * Shifts any subsequent elements to the left (subtracts one from their
 * indices).
 *
 * @param index the index of the element to be removed
 * @return the element that was removed from the list
 * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
 */
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;
}

对于数组的元素删除算法我们应该很熟悉，删除一个数组元素，我们需要将这个元素后面的元素全部向前移动，并将size减1.

我们看到源码中，首先检查下标是否在可用范围内。然后调用System.arrayCopy方法将右边的数组向左移动，并且将size减一，并置为null。

public boolean remove(Object o)

/**
 * Removes the first occurrence of the specified element from this list,
 * if it is present.  If the list does not contain the element, it is
 * unchanged.  More formally, removes the element with the lowest index
 * <tt>i</tt> such that
 * <tt>(o==null ? get(i)==null : o.equals(get(i)))</tt>
 * (if such an element exists).  Returns <tt>true</tt> if this list
 * contained the specified element (or equivalently, if this list
 * changed as a result of the call).
 *
 * @param o element to be removed from this list, if present
 * @return <tt>true</tt> if this list contained the specified element
 */
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;
}

我们可以看到，这个remove方法会移除数组中第一个符合的给定对象，如果不存在就什么也不做，如果存在多个只移除第一个。

fastRemove方法如下

/*
 * Private remove method that skips bounds checking and does not
 * return the value removed.
 */
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
}

可以理解为简化版的remove（index）方法。

ArrayList小结

ArrayList是List接口的一个可变大小的数组的实现
ArrayList的内部是使用一个Object对象数组来存储元素的
初始化ArrayList的时候，可以指定初始化容量的大小，如果不指定，就会使用默认大小，为10
当添加一个新元素的时候，首先会检查容量是否足够添加这个元素，如果够就直接添加，如果不够就进行扩容，扩容为原数组容量的1.5倍
当删除一个元素的时候，会将数组右边的元素全部左移

转自 Java源码剖析之ArrayList