不積跬步，無以至千裡；不積小流，無以成江海。從基礎做起，一點點積累，加油！ 《Java集合類》
中講述了ArrayList的基礎使用，本文将深入剖析ArrayList的内部結構及實作原理，以便更好的、更高效的使用它。
ArrayList就是傳說中的動态數組，就是Array的複雜版本，它提供了如下一些好處：動态的增加和減少元素、靈活的設定數組的大小......
認真閱讀本文，我相信一定會對你有幫助。比如為什麼ArrayList裡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>可以看出它是支援泛型的，它繼承自AbstractList，實作了List、RandomAccess、Cloneable、java.io.Serializable接口。
AbstractList提供了List接口的預設實作（個别方法為抽象方法）。
List接口定義了清單必須實作的方法。
RandomAccess是一個标記接口，接口内沒有定義任何内容。
實作了Cloneable接口的類，可以調用Object.clone方法傳回該對象的淺拷貝。
通過實作 java.io.Serializable 接口以啟用其序列化功能。未實作此接口的類将無法使其任何狀态序列化或反序列化。序列化接口沒有方法或字段，僅用于辨別可序列化的語義。
ArrayList的屬性
ArrayList定義隻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; 很容易了解，elementData存儲ArrayList内的元素，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執行個體的機制。當持久化對象時，可能有一個特殊的對象資料成員，我們不想用serialization機制來儲存它。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，被設定為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 // 重新讀取内容
32 ObjectInputStream in = new ObjectInputStream(new FileInputStream(
33 "UserInfo.out"));
34 UserInfo readUserInfo = (UserInfo) in.readObject();
35 //讀取後psw的内容為null
36 System.out.println(readUserInfo.toString());
37 } catch (Exception e) {
38 // TODO: handle exception
39 e.printStackTrace();
40 }
41 }
42 } 被标記為transient的屬性在對象被序列化的時候不會被儲存。
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并傳入參數10，即預設elementData數組的大小為10。第三個構造方法則将提供的集合轉成數組傳回給elementData（傳回若不是Object[]将調用Arrays.copyOf方法将其轉為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，如何實作的呢？
public boolean add(E e) {
ensureCapacity(size + 1); // Increments modCount!!
elementData[size++] = e;
return true;
} 書上都說ArrayList是基于數組實作的，屬性中也看到了數組，具體是怎麼實作的呢？比如就這個添加元素的方法，如果數組大，則在将某個位置的值設定為指定元素即可，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，之後将元素的索引賦給elementData[size]，而後size自增。例如初次添加時，size為0，add将elementData[0]指派為e，然後size設定為1（類似執行以下兩條語句elementData[0]=e;size=1）。将元素的索引賦給elementData[size]不是會出現數組越界的情況嗎？這裡關鍵就在ensureCapacity(size+1)中了。
根據ensureCapacity的方法名可以知道是確定容量用的。ensureCapacity(size+1)後面的注釋可以明白是增加modCount的值（加了倆感歎号，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的值都将增加，但未必數組結構會改變，是以感覺對modCount的解釋不是很到位）。
增加modCount之後，判斷minCapacity（即size+1）是否大于oldCapacity（即elementData.length），若大于，則調整容量為max((oldCapacity*3)/2+1,minCapacity)，調整elementData容量為新的容量，即将傳回一個内容為原數組元素，大小為新容量的數組賦給elementData；否則不做操作。
是以調用ensureCapacity至少将elementData的容量增加的1，是以elementData[size]不會出現越界的情況。
容量的拓展将導緻數組元素的複制，多次拓展容量将執行多次整個數組内容的複制。若提前能大緻判斷list的長度，調用ensureCapacity調整容量，将有效的提高運作速度。
可以了解提前配置設定好空間可以提高運作速度，但是測試發現提高的并不是很大，而且若list原本資料量就不會很大效果将更不明顯。
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，之後調用ensureCapacity調整容量（若容量足夠則不會拓展），調用System.arraycopy将elementData從index開始的size-index個元素複制到index+1至size+1的位置（即index開始的元素都向後移動一個位置），然後将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轉換成數組，根據轉換後數組的程度和ArrayList的size拓展容量，之後調用System.arraycopy方法複制元素到elementData的尾部，調整size。根據傳回的内容分析，隻要集合c的大小不為空，即轉換後的數組長度不為0則傳回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。其他内容與addAll(Collection<? extends E> c)基本一緻，隻是複制的時候先将index開始的元素向後移動X（c轉為數組後的長度）個位置（也是一個複制的過程），之後将數組内容複制到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的時候并沒有修改elementData的長度（好不容易申請、拓展來的，憑什麼釋放，留着搞不好還有用呢。這使得确定不再修改list内容之後最好調用trimToSize來釋放掉一些空間），隻是将所有元素置為null，size設定為0。
clone()
傳回此 ArrayList 執行個體的淺表副本。（不複制這些元素本身。）
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方法傳回一個對象的副本，将傳回對象的elementData數組的内容指派為原對象elementData數組的内容，将副本的modCount設定為0。
contains(Object)
1 public boolean contains(Object o) {
2 return indexOf(o) >= 0;
3 } indexOf方法傳回值與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 } 通過周遊elementData數組來判斷對象是否在list中，若存在，傳回index（[0,size-1]），若不存在則傳回-1。是以contains方法可以通過indexOf(Object)方法的傳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傳回的是傳入對象在elementData數組中最後出現的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 } 采用了從後向前周遊element數組，若遇到Object則傳回index值，若沒有遇到，傳回-1。
get(int index)
這個方法看着很簡單，應該是傳回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，看看究竟有什麼内容吧。
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 } 就是檢查一下是不是超出數組界限了，超出了就抛出IndexOutBoundsException異常。為什麼要大寫呢？？？
isEmpty()
直接傳回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 } 首先是檢查範圍，修改modCount，保留将要被移除的元素，将移除位置之後的元素向前挪動一個位置，将list末尾元素置空（null），傳回被移除的元素。
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，當移除成功後傳回true，否則傳回false。remove(Object o)中通過周遊element尋找是否存在傳入對象，一旦找到就調用fastRemove移除對象。為什麼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于确定了index不會超過邊界，而且fastRemove并不傳回被移除的元素。下面是fastRemove的代碼，基本和remove(index)一緻。
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 } 執行過程是将elementData從toIndex位置開始的元素向前移動到fromIndex，然後将toIndex位置之後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，為什麼這個方法被定義為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。但是為什麼效果相同呢？是不是調用了removeRange(int fromIndex,int toIndex)呢？這個問題将領寫一篇博文讨論。
《ArrayList removeRange方法深入分析》：
http://www.cnblogs.com/hzmark/archive/2012/12/19/ArrayList_removeRange.htmlset(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 } 首先檢查範圍，用新元素替換舊元素并傳回舊元素。
size()
size()方法直接傳回size。
toArray()
1 public Object[] toArray() {
2 return Arrays.copyOf(elementData, size);
3 } 調用Arrays.copyOf将傳回一個數組，數組内容是size個elementData的元素，即拷貝elementData從0至size-1位置的元素到新數組并傳回。
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于size，傳回一個新的數組，大小為size，類型與傳入數組相同。所傳入數組長度與size相等，則将elementData複制到傳入數組中并傳回傳入的數組。若傳入數組長度大于size，除了複制elementData外，還将把傳回數組的第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 } 由于elementData的長度會被拓展，size标記的是其中包含的元素的個數。是以會出現size很小但elementData.length很大的情況，将出現空間的浪費。trimToSize将傳回一個新的數組給elementData，元素内容保持不變，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麼是這麼玩的，有哪些限制，關鍵點在哪裡等等。而且這些源碼都是大牛們寫的，你能從中學習到很多。
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