ArrayList是在開發中經常被用到的基于List接口實作的順序存儲容器。其特點就是對資料進行順序的存取，并且可以支援存放null元素，它的底層是采用數組的方式實作存儲。除了沒有實作同步操作之外，其他的操作與Vector的操作是一樣的。下面我們就來分析一下ArrayList的具體實作。
簡單介紹
既然ArrayList底層是采用了數組的方式進行存儲，那麼對于一個數組來講，就有容量和實際大小兩個關鍵參數。如下圖所示。
所謂的容量就是指底層數組所能容納資料的多少，而實際大小則是指實際存儲資料的空間的大小。當不斷的往數組中添加資料的時候，容量就會自動增大，也就是後續我們在分析過程中會說到的數組擴容的操作。為了追求效率，ArrayList并沒有Synchroinzed的同步操作，如果需要進行并發的通路就需要自己控制，或者是使用Vector來代替。
ArrayList的底層資料結構
根據上面的分析，我們可以知道，ArrayList的底層是通過一個對象數組來實作對象存儲的。其具體代碼如下。
/**
* 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
/**
* The size of the ArrayList (the number of elements it contains).
*
* @serial
*/
private int size; 上述的兩個參數就可以将上圖中展示的内容做了抽象，其中elementData的大小就是容量，而size的大小就表示了數組實際存儲資料的多少。
構造函數
ArrayList提供了如下的一些構造函數，其中比較關鍵的就是第一個構造函數。在構造函數中會發現，傳入一個初始容量的參數。也就是說在使用ArrayList的時候需要傳入預計需要存儲多少的元素。預設情況下如果不傳入，則會使用DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA一個空數組來進行初始化。
/**
* 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);
}
}
/**
* Constructs an empty list with an initial capacity of ten.
*/
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
/**
* 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) {
Object[] a = c.toArray();
if ((size = a.length) != 0) {
if (c.getClass() == ArrayList.class) {
elementData = a;
} else {
elementData = Arrays.copyOf(a, size, Object[].class);
}
} else {
// replace with empty array.
elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}
} ArrayList的自動擴容機制
前面我們提到了，當我們不斷的往ArrayList中添加資料的時候，當數組容量裝不下的時候，就會進行自動擴容，而我們也知道往ArrayList中添加資料需要調用一個add()方法，其内容如下
/**
* 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;
}
// 進入之後第一步調用的方法
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}
// 計算比較容量比較大小
private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
return minCapacity;
}
// 根據實際擷取容量進行擴容操作，并且支援 Fast-Fist 機制
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
modCount++;
// overflow-conscious code
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}
// 擴容容量增長函數
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);
}
private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
if (minCapacity < 0) // overflow
throw new OutOfMemoryError();
return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
Integer.MAX_VALUE :
MAX_ARRAY_SIZE;
}
如下圖所示，當數組完成擴容之後，會将原來的資料複制到新的數組中，并且新數組後半段内容為空，用來支援後續資料的錄入操作。
通過上面的分析我們可以知道，數組擴容操作其實是一個比較耗時、并且比較消耗記憶體的操作，是以在實際使用的過程中，如果我們知道了預先的資料的容量，最好是在構造ArrayList的時候指定容量大小，這樣可以避免因為數組擴容所帶來的資源消耗。
如何擷取元素？
上面我們介紹了如何去往數組中添加一個元素，那麼下面我們就來看看如何從數組中擷取元素，在ArrayList中提供了get()方法來擷取指定位置的資料元素，代碼如下。
/**
* Returns the element at the specified position in this list.
*
* @param index index of the element to return
* @return the element at the specified position in this list
* @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
*/
public E get(int index) {
rangeCheck(index);
return elementData(index);
}
從代碼中可以看出，擷取元素就利用了數組這種資料結構的便利，直接從數組的指定位置擷取對應的元素。
如何删除元素？
ArrayList還提供了remove()方法來移除指定位置的元素，或者是指定的元素，并且将移除之後的資料進行傳回，代碼如下。
/**
* 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;
} 如何修改元素？
ArrayList提供了一個set()方法來修改指定位置的元素操作，代碼如下。
/**
* Replaces the element at the specified position in this list with
* the specified element.
*
* @param index index of the element to replace
* @param element element to be stored at the specified position
* @return the element previously at the specified position
* @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
*/
public E set(int index, E element) {
rangeCheck(index);
E oldValue = elementData(index);
elementData[index] = element;
return oldValue;
} 會看到在這方法中，先将原有位置的元素提取出來，并且直接将原有位置的元素進行了替換，并且傳回了原有位置的元素。
總結
到這裡，對ArrayList資料的增删改查的操作都已經介紹完了。其中比較關鍵的地方就是對于數組的擴容操作。