本文将从ArrayList类的存储结构、初始化、增删数据、扩容处理以及元素迭代等几个方面，分析该类常用方法的源码。

数据存储设计

该类用一个Object类型的数组存储容器的元素。对于容量为空的情况，提供了两个成员变量来表示。

// 用于存储容器元素的数组，数组长度不小于容器内元素个数
transient Object[] elementData;

// 容器的大小，反映的是容器内实时元素个数，不超过数组长度
private int size;

// 容器为空的实例
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

// 默认构造的实例，用于展示加入第一个元素后容器膨胀的过程
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

初始化

该类提供了三个初始化方法，如下所示：

// 基本构造方法
public ArrayList() {
    // 数组初始化为长度为0的空数组
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

// 指定初始容量的构造方法
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);
    }
}

// 通过已有集合进行实例化的构造方法
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
    elementData = c.toArray();
    if ((size = elementData.length) != 0) {
    
        // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
        // 如果集合转换得到的数组长度不为0且数组元素类型不为Object类型，则将其转换为Object类型的数组
        if (elementData.getClass() != Object[].class)
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
    } else {
        // replace with empty array.
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
}

增删数据

单元素插入方法，这里没有对插入元素进行非null限制，说明ArrayList容器是可以插入null的。

/* 在已有元素末尾增加元素 */
public boolean add(E e) {
    /* 确保数组的大小至少有size+1的长度，如果小于会对原数组进行扩容 */
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    
    /* 在索引为size处添加元素e，同时size+1 */
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

/* 在数组索引为index处插入元素 */
public void add(int index, E element) {
    /* 检查索引位置，index的范围为[0,size] */
    rangeCheckForAdd(index);
    
    /* 确保数组的大小至少有size+1的长度，如果小于会对原数组进行扩容 */
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    
    /* 将原来index处及之后的元素全部向后移一位 */
    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,size - index);
    
    /* 将元素element放入index处 */
    elementData[index] = element;
    
    /* 容器内元素个数+1 */
    size++;
}

集合插入方法

// 在已有元素末尾增加集合中所有元素 
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
    // 将集合转化为Object数组 
    Object[] a = c.toArray();
    int numNew = a.length;
    // 确保数组的大小至少有size+numNew的长度，如果小于会对原数组进行扩容
    ensureCapacityInternal(size + numNew);  // Increments modCount
    // 将数组a内元素拷贝到数组elementData末尾
    System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
    // 数组大小增加numNew
    size += numNew;
    return numNew != 0;
}

// 在索引index处插入集合中所有元素
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
    // 检查索引位置，index的范围为[0,size] 
    rangeCheckForAdd(index);
    
    Object[] a = c.toArray();
    int numNew = a.length;
    
    // 确保数组的大小至少有size+numNew的长度，如果小于会对原数组进行扩容
    ensureCapacityInternal(size + numNew);  // Increments modCount
    
    // 要移动的元素长度
    int numMoved = size - index;
    // 如果插入位置不在size处，则需要把原数组[index,size-1]范围内元素移动numMoved长度
    if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew,
                         numMoved);
    
    System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);
    size += numNew;
    return numNew != 0;
}

修改元素方法，只提供了修改指定索引下标元素的方法

/* 替换指定索引处元素 */
public E set(int index, E element) {
    /* 检查索引位置，index的范围只能在[0,size-1]内 */
    rangeCheck(index);
    
    /* 替换index处元素并返回原值 */
    E oldValue = elementData(index);
    elementData[index] = element;
    return oldValue;
}

单元素删除元素方法，提供了根据索引删除和查找对象进行删除的方法

// 删除指定索引处元素
public E remove(int index) {
    // 检查索引范围，只能在[0,size-1]范围内
    rangeCheck(index);
    
    modCount++;
    // 取出index处待删除元素
    E oldValue = elementData(index);
    
    // 要移动的元素长度
    int numMoved = size - index - 1;
    // 如果index≠size-1,将index后的元素全部往前移动一位
    if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                         numMoved);
    // size数量先减一
    // 因为删除了一个元素，数组最后一个元素的引用置为null,让垃圾收集器去回收元素对象
    elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
    
    // 返回删除的元素
    return oldValue;
}

// 查找对象并删除元素
public boolean remove(Object o) {
    // 这里从下标0开始遍历数组，只删除遇到的第一个相同元素
    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++)
            // 因为数组元素可以为null,所以需要用o.equals()以防止NullPointException
            if (o.equals(elementData[index])) {
                fastRemove(index);
                return true;
            }
    }
    return false;
}

// 跳过边界检查删除index索引处元素，确保index处于[0,size-1]范围内
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
}

批量删除方法

// 从本集合中删除与集合C的交集
public boolean removeAll(Collection<?> c) {
    // 确保集合C非null，否则抛出NullPointException
    Objects.requireNonNull(c);
    return batchRemove(c, false);
}

// complement为false表示批量删除与C的交集元素，complement为true表示只留下和C的交集元素，其它全部删除
// 以下说明均采用complement为false的情况，即删除交集元素
private boolean batchRemove(Collection<?> c, boolean complement) {
    final Object[] elementData = this.elementData;
    
    // 这里采用了双指针的思想，r为当前遍历到的位置，w指向将要写入元素的位置
    int r = 0, w = 0;
    
    // 是否有元素被删除，有则为true，无则为false
    boolean modified = false;
    try {
        // 遍历elementDate数组，如果不在集合c中，则写入w处，并将w右移一位
        for (; r < size; r++)
            if (c.contains(elementData[r]) == complement)
                elementData[w++] = elementData[r];
    } finally {
        // Preserve behavioral compatibility with AbstractCollection,
        // even if c.contains() throws.
        // 如果没有遍历完，即c.contains()抛出了异常或错误，需要将r处及其之后的元素复制到w之后
        if (r != size) {
            System.arraycopy(elementData, r,
                             elementData, w,
                             size - r);
            // w向右移动
            w += size - r;
        }
        // 如果w≠size，说明有交集元素被删除
        if (w != size) {
            // clear to let GC do its work
            // 将w处及之后的引用置为null，让gc自己回收
            for (int i = w; i < size; i++)
                elementData[i] = null;
            modCount += size - w;
            size = w;
            
            // 有元素被删除，置为true
            modified = true;
        }
    }
    return modified;
}

扩容处理

每次在增加元素时，都需要确保数组的长度要大于容器内元素的个数。比如在add方法中。

public boolean add(E e) {
    // 使用ensureCapacityInternal方法确保数组的大小不小于插入元素后的元素个数
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

我们看一下该方法具体的实现，这里扩容时会判断元素组长度的1.5倍是否满足输入最小长度要求，满足的话会按1.5倍容量定义新数组并复制元素到新数组，不满足则按输入最小长度扩容。

// 确保数组长度不低于minCapacity
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}

private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
    // 如果数组为空集，则取默认大小(10)和传入参数中较大的一个
    // 也就是说最小容量为10
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    return minCapacity;
}

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

    // overflow-conscious code
    // 如果当前数组长度未达到输入大小，则进行扩容操作
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);
}

// 扩容操作
private void grow(int minCapacity) {
    // overflow-conscious code
    int oldCapacity = elementData.length;
    // 原长度的1.5倍
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    // 如果传入参数超过数组原长1.5倍，则设置新长度为传入参数，否则为原长1.5倍
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    // 如果新长度超过设定最大长度(Integer.MAX_VALUE-8)，则获取更大容量
    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);
}

// 获取大容量
private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
    // 如果传入参数超过int最大值，表示扩容后的数组长度溢出了，抛出OOM Error
    if (minCapacity < 0) // overflow
        throw new OutOfMemoryError();
    // 如果新长度超过设定最大长度(Integer.MAX_VALUE-8)且不超过Integer.MAX_VALUE，则设置为Integer.MAX_VALUE
    return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
        Integer.MAX_VALUE :
        MAX_ARRAY_SIZE;
}

元素迭代

迭代的使用和其它容器类似，通过iterator()方法返回一个Iterator实例，通过调用该实例的hashNext()方法和next()方法进行迭代。
ArrayList类内部也定义了实现了Iterator接口的内部类，iterator()方法正是返回了该类的实例。实际上该类内部定义了多个Iterator的实现类，用以不同的迭代场景，如下所示：

/**
 * An optimized version of AbstractList.Itr
 */
private class Itr implements Iterator<E>{
    ...
}

/**
 * An optimized version of AbstractList.ListItr
 */
private class ListItr extends Itr implements ListIterator<E> {
    ...
}

这里以Itr类为例分析hashNext()方法和next()方法具体实现

private class Itr implements Iterator<E> {
    // 下一个元素的索引,默认值为0
    int cursor;       // index of next element to return
    // 上一个元素的索引
    int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such
    int expectedModCount = modCount;
    
    Itr() {}
    
    // 是否有下一个元素
    public boolean hasNext() {
        // 索引未到达size处则为true
        return cursor != size;
    }
    
    // 返回下一个元素(索引从-1开始)
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public E next() {
        // 检查是否有修改(增加或删除元素),修改了的话会抛出ConcurrentModificationException
        // 这里也说明ArrayList类是不支持并发操作的
        checkForComodification();
        
        // 如果当前索引>=size，说明越界了，抛出异常
        int i = cursor;
        if (i >= size)
            throw new NoSuchElementException();
            
        // 如果当前索引超过数组长度，说明有其他线程增加元素对数组进行了扩容操作
        // 抛出并发修改异常
        Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
        if (i >= elementData.length)
            throw new ConcurrentModificationException();
            
        // 如果一切正常，索引+1并返回索引位置元素
        cursor = i + 1;
        return (E) elementData[lastRet = i];
    }
    
    // 删除当前遍历到的元素，(至少要调用一次next()方法)
    public void remove() {
        // 如果lastRet值<0,说明索引还在-1，一次next()方法都没调用，抛出异常
        if (lastRet < 0)
            throw new IllegalStateException();
            
        // 检查是否有并发修改，有修改抛出异常
        checkForComodification();
        
        // 从list中删除下标为lastRet的元素，并更新下标索引的值
        try {
            ArrayList.this.remove(lastRet);
            cursor = lastRet;
            lastRet = -1;
            expectedModCount = modCount;
        } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
            throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }
    ...
}