一、前言
作为List的重要实现之一，ArrayList已经成了我们编写程序时不可或缺的重要容器之一，面试的时候也经常会被问到，所以，深入理解其实现机制，无论是对于我们正确使用这个类来说，还是准备面试，都是非常有好处的。
二、实现原理
ArrayList不再是一个抽象类，而是可以直接使用，所以我们要弄清楚这个类是如何实现一个List容器的，具体来说，我们需要关注以下几点：
1）数据如何存储？
这个比较明显，ArrayList内部定义了一个数组字段：private transient Object[] elementData; 注意虽然ArrayList是支持泛型的，但数组的类型还是Object, 这个是因为无法用泛型来new 一个数组，比如T data[] = new T[size]，这是肯定不行的，所以只能使用Object. 另外注意这个字段是transient的，也就意味着在序列化时会忽略，需要特殊处理。
那么，elementData数组中存储了ArrayList中的每一个元素，由于数组天生具备按下标随机访问，所以这使得ArrayList的get,set等方法变得非常方便。
2）存储空间如何扩容和回收？
如果ArrayList只能起到和数组一样的作用，那也就没有必要再定义这样的集合了，直接用数组就完了。我们使用ArrayList，至少有一部分原因是因为它是可以动态扩容的，而且使用者不用关心其是如何扩展的，而数组想要扩容只能程序员自己搞了，而且还很麻烦。那么ArrayList是如何扩容的呢？其容量和数组元素个数之前有什么区别呢？
ArrayList定义了一个字段，int size, 这个表示容器中元素的个数。而elementData的长度则表示其容量大小，通常情况下size < 数组的长度。当有元素到列表中时，系统会先检查当前容量的大小以判断是否需要扩容，以add(index, element)为例，相关实现如下：
1 public boolean add(E e) { 2 3 //事实上并不是每一次add操作都要扩容,但每一次,modCount都需要加1 4 ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!! 5 elementData[size++] = e; 6 return true; 7 } 8 9 private void grow(int minCapacity) { 10 // overflow-conscious code 11 int oldCapacity = elementData.length; //原大小 12 //新的大小等于原大小在原来的基础上增加1/2,比如原长度是10, 则新长度是15 13 int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); 14 15 //如果新的容量 < 目标容量(比如目标是16), 则取目标 16 if (newCapacity - minCapacity < 0) 17 newCapacity = minCapacity; 18 19 //太大,则根据目标容易来取值,最大不能超过整型的最大值 20 if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0) 21 newCapacity = hugeCapacity(minCapacity); 22 // minCapacity is usually close to size, so this is a win: 23 24 //分配一个长度为newCapacity的数组,并将elementData中的元素复制过去 25 //当然,多出的空间,数组中元素的值默认就是null了 26 elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); 27 }
我们看关键的grow方法，先是将空间增加1/2，然后如果还是未到预期空间，则newCapacity等于参数所指定的容器值。最后通过数组复制的方式将这个数组中的元素复制到新数组，以达到扩容的目的。
对于每次添加一个元素来说，这种机制并不会每次都需要扩容，但如果是addAll的方式添加一个集合，则是有可能的。
对于删除来说，elementData的空间并不会缩小，但是多出的部分会被置为null, 以避免不必要的内存泄露。
我们可以在初始化时就指定一个elementData的大小，若不指定，则为长度为0的数组，第一次添加时，默认扩展到10.
3）如何实现迭代器？这个比较简单，就是通过对数组的遍历来实现。
4）如何实现indexOf？ 基本思路还是对数组中的元素进行遍历，对每个元素调用equals来比较，返回第一个匹配的元素，或者返回-1. 但ArrayList 是允许null元素存在的，所以遍历要分两种情况，当目标对象为null时，其实判断方式就是 == null的形式。
5）数组元素如何调整位置？
记得笔试和面试经常会被问到ArrayList和LinkedList的优点和不足，通常我们会说ArrayList的不足在于添加和删除元素时会涉及到数组元素位置的调整，这个涉及到数组元素的移动，效率会比较慢。但看了源码之后，发现这个描述是错误的，因为再增加和删除元素后，其实现并非是在原数组的基础上改变元素的位置，而是直接使用到数组复制的方式。研究ArrayList的源码，你会发现很多地方都用到了System的arraycopy方法，下面对该方法做一个具体的定义。
本方法的定义如下：
1 /** 2 * Copies an array from the specified source array, beginning at the 3 * specified position, to the specified position of the destination array. 4 * A subsequence of array components are copied from the source 5 * array referenced by <code>src</code> to the destination array 6 * referenced by <code>dest</code>. The number of components copied is 7 * equal to the <code>length</code> argument. The components at 8 * positions <code>srcPos</code> through 9 * <code>srcPos+length-1</code> in the source array are copied into 10 * positions <code>destPos</code> through 11 * <code>destPos+length-1</code>, respectively, of the destination 12 * array. 13 * <p> 14 * If the <code>src</code> and <code>dest</code> arguments refer to the 15 * same array object, then the copying is performed as if the 16 * components at positions <code>srcPos</code> through 17 * <code>srcPos+length-1</code> were first copied to a temporary 18 * array with <code>length</code> components and then the contents of 19 * the temporary array were copied into positions 20 * <code>destPos</code> through <code>destPos+length-1</code> of the 21 * destination array. 22 * <p> 23 * If <code>dest</code> is <code>null</code>, then a 24 * <code>NullPointerException</code> is thrown. 25 * <p> 26 * If <code>src</code> is <code>null</code>, then a 27 * <code>NullPointerException</code> is thrown and the destination 28 * array is not modified. 29 * <p> 30 * Otherwise, if any of the following is true, an 31 * <code>ArrayStoreException</code> is thrown and the destination is 32 * not modified: 33 * <ul> 34 * <li>The <code>src</code> argument refers to an object that is not an 35 * array. 36 * <li>The <code>dest</code> argument refers to an object that is not an 37 * array. 38 * <li>The <code>src</code> argument and <code>dest</code> argument refer 39 * to arrays whose component types are different primitive types. 40 * <li>The <code>src</code> argument refers to an array with a primitive 41 * component type and the <code>dest</code> argument refers to an array 42 * with a reference component type. 43 * <li>The <code>src</code> argument refers to an array with a reference 44 * component type and the <code>dest</code> argument refers to an array 45 * with a primitive component type. 46 * </ul> 47 * <p> 48 * Otherwise, if any of the following is true, an 49 * <code>IndexOutOfBoundsException</code> is 50 * thrown and the destination is not modified: 51 * <ul> 52 * <li>The <code>srcPos</code> argument is negative. 53 * <li>The <code>destPos</code> argument is negative. 54 * <li>The <code>length</code> argument is negative. 55 * <li><code>srcPos+length</code> is greater than 56 * <code>src.length</code>, the length of the source array. 57 * <li><code>destPos+length</code> is greater than 58 * <code>dest.length</code>, the length of the destination array. 59 * </ul> 60 * <p> 61 * Otherwise, if any actual component of the source array from 62 * position <code>srcPos</code> through 63 * <code>srcPos+length-1</code> cannot be converted to the component 64 * type of the destination array by assignment conversion, an 65 * <code>ArrayStoreException</code> is thrown. In this case, let 66 * <b><i>k</i></b> be the smallest nonnegative integer less than 67 * length such that <code>src[srcPos+</code><i>k</i><code>]</code> 68 * cannot be converted to the component type of the destination 69 * array; when the exception is thrown, source array components from 70 * positions <code>srcPos</code> through 71 * <code>srcPos+</code><i>k</i><code>-1</code> 72 * will already have been copied to destination array positions 73 * <code>destPos</code> through 74 * <code>destPos+</code><i>k</I><code>-1</code> and no other 75 * positions of the destination array will have been modified. 76 * (Because of the restrictions already itemized, this 77 * paragraph effectively applies only to the situation where both 78 * arrays have component types that are reference types.) 79 * 80 * @param src the source array. 81 * @param srcPos starting position in the source array. 82 * @param dest the destination array. 83 * @param destPos starting position in the destination data. 84 * @param length the number of array elements to be copied. 85 * @exception IndexOutOfBoundsException if copying would cause 86 * access of data outside array bounds. 87 * @exception ArrayStoreException if an element in the <code>src</code> 88 * array could not be stored into the <code>dest</code> array 89 * because of a type mismatch. 90 * @exception NullPointerException if either <code>src</code> or 91 * <code>dest</code> is <code>null</code>. 92 */ 93 public static native void arraycopy(Object src, int srcPos, 94 Object dest, int destPos, 95 int length);
这是System类里定义的一个本地化方法，用于进行数组间的元素复制，具体的来说，将src数组里从strPos位置起的元素复制length个，放到dest数组中的descPos位置。这个方法由于是本地实现，直接进行内存copy，在数组的数据量比较大的情况下性能仍然比较好。
这个方法要求两个数组中存储的元素类型是一致的，至少是可转换的，不能一个是引用类型，另一个是基本类型。另外，strPos + length和descPos + length都不能超过自身数组的空间，否则会有越界异常。
特别的，src和dest可以是同一个数组，这种情况下，src的元素会先复制到一个临时数组里，然后再从临时数组中复制到dest中。
应该说，有了这个方法之后，元素的插入和删除并不会带来太大的性能开销。
三、总结
ArrayList的底层是基于数组的，arraycopy方法在其实现上发挥了很大的作用，理解了这个方法，整个结构也就不难理解了。所以其它的方法就不再一一介绍了，接下来我们会继续学习List的另一种常用实现：LinkedList