ArrayList概述
（1）ArrayList 是一种变长的集合类，基于定长数组实现。
（2）ArrayList 允许空值和重复元素，当往 ArrayList 中添加的元素数量大于其底层数组容量时，其会通过扩容机制重新生成一个更大的数组。
（3）由于 ArrayList 底层基于数组实现，所以其可以保证在 O(1) 复杂度下完成随机查找操作。
（4）ArrayList 是非线程安全类，并发环境下，多个线程同时操作 ArrayList，会引发不可预知的异常或错误。
ArrayList的成员属性
在介绍关于ArrayList的各种方法之前先看一下基础属性成员。其中DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA与EMPTY_ELEMENTDATA的区别是：当我们向数组中添加第一个元素时，DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA将会知道数组该扩充多少。
//默认初始化容量
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
//默认的空的数组，这个主要是在构造方法初始化一个空数组的时候使用
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
//使用默认size大小的空数组实例，和EMPTY_ELEMENTDATA区分开来，
//这样可以知道当第一个元素添加的时候进行扩容至多少
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
//ArrayList底层存储数据就是通过数组的形式，ArrayList长度就是数组的长度。
//一个空的实例elementData为上面的DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA，当添加第一个元素的时候
//会进行扩容，扩容大小就是上面的默认容量DEFAULT_CAPACITY
transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
//arrayList的大小
private int size;
static修饰的EMPTY_ELEMENTDATA和DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
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ArrayList构造方法
（1）带有初始化容量的构造方法
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参数大于0，elementData初始化为initialCapacity大小的数组
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参数小于0，elementData初始化为空数组
-
参数小于0，抛出异常
//参数为初始化容量
public ArrayList(int initialCapacity) {
//判断容量的合法性
if (initialCapacity > 0) {
//elementData才是实际存放元素的数组
this.elementData = new Object[initialCapacity];
} else if (initialCapacity == 0) {
//如果传递的长度为0，就是直接使用自己已经定义的成员变量(一个空数组)
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
} else {
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
initialCapacity);
}
}
（2）无参构造
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构造方法中将elementData初始化为空数组DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
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当调用add方法添加第一个元素的时候，会进行扩容
-
扩容至大小为DEFAULT_CAPACITY=10
//无参构造，使用默认的size为10的空数组，在构造方法中没有对数组长度进行设置，会在后续调用add方法的时候进行扩容
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
（3）参数为Collection类型的构造器
//将一个参数为Collection的集合转变为ArrayList（实际上就是将集合中的元素换为了数组的形式）。如果
//传入的集合为null会抛出空指针异常（调用c.toArray()方法的时候）
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
elementData = c.toArray();
if ((size = elementData.length) != 0) {
//c.toArray()可能不会正确地返回一个 Object[]数组，那么使用Arrays.copyOf()方法
if (elementData.getClass() != Object[].class)
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
} else {
//如果集合转换为数组之后数组长度为0，就直接使用自己的空成员变量初始化elementData
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}
}
上面的这些构造方法理解起来比较简单，关注前两个构造方法做的事情，目的都是初始化底层数组 elementData(this.elementData=XXX)。区别在于无参构造方法会将 elementData 初始化一个空数组，插入元素时，扩容将会按默认值重新初始化数组。而有参的构造方法则会将 elementData 初始化为参数值大小（>= 0）的数组。一般情况下，我们用默认的构造方法即可。倘若在可知道将会向 ArrayList 插入多少元素的情况下，可以使用有参构造方法。
上面说到了使用无参构造的时候，在调用add方法的时候会进行扩容，所以下面我们就看看add方法以及扩容的细节
ArrayList的add方法
add方法大致流程
//将指定元素添加到list的末尾
public boolean add(E e) {
//因为要添加元素，所以添加之后可能导致容量不够，所以需要在添加之前进行判断（扩容）
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!（待会会介绍到fast-fail）
elementData[size++] = e;
return true;
}
我们看到add方法中在添加元素之前，会先判断size的大小，所以我们来看看ensureCapacityInternal方法的细节
ensureCapacityInternal方法分析
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
//这里就是判断elementData数组是不是为空数组
//（使用的无参构造的时候，elementData=DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA）
//如果是，那么比较size+1(第一次调用add的时候size+1=1)和DEFAULT_CAPACITY，
//那么显然容量为10
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
当 要 add 进第1个元素时，minCapacity为(size+1=0+1=)1，在Math.max()方法比较后，minCapacity 为10。然后紧接着调用ensureExplicitCapacity更新modCount的值，并判断是否需要扩容
ensureExplicitCapacity方法分析
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
modCount++; //这里就是add方法中注释的Increments modCount
//溢出
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);//这里就是执行扩容的方法
}
下面来看一下扩容的主要方法grow。
grow方法分析
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
private void grow(int minCapacity) {
// oldCapacity为旧数组的容量
int oldCapacity = elementData.length;
// newCapacity为新数组的容量（oldCap+oldCap/2:即更新为旧容量的1.5倍）
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
// 检查新容量的大小是否小于最小需要容量，如果小于那旧将最小容量最为数组的新容量
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
//如果新容量大于MAX_ARRAY_SIZE，使用hugeCapacity比较二者
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
// minCapacity is usually close to size, so this is a win:
// 将原数组中的元素拷贝
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
hugeCapacity方法
这里简单看一下hugeCapacity方法
private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
if (minCapacity < 0) // overflow
throw new OutOfMemoryError();
//对minCapacity和MAX_ARRAY_SIZE进行比较
//若minCapacity大，将Integer.MAX_VALUE作为新数组的大小
//若MAX_ARRAY_SIZE大，将MAX_ARRAY_SIZE作为新数组的大小
//MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ? Integer.MAX_VALUE : MAX_ARRAY_SIZE;
}
add方法执行流程总结
我们用一幅图来简单梳理一下，当使用无参构造的时候，在第一次调用add方法之后的执行流程
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这是第一次调用add方法的过程，当扩容值capacity为10之后，
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继续添加第2个元素（先注意调用ensureCapacityInternal方法传递的参数为size+1=1+1=2）
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在ensureCapacityInternal方法中，elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA不成立，所以直接执行ensureExplicitCapacity方法
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ensureExplicitCapacity方法中minCapacity为刚刚传递的2，所以第二个if判断（2-10=-8）不会成立，即newCapacity 不比 MAX_ARRAY_SIZE大，则不会进入
grow方法。数组容量为10，add方法中 return true,size增为1。 -
假设又添加3、4......10个元素（其中过程类似，但是不会执行grow扩容方法）
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当add第11个元素时候，会进入grow方法时，计算newCapacity为15，比minCapacity（为10+1=11）大，第一个if判断不成立。新容量没有大于数组最大size，不会进入hugeCapacity方法。数组容量扩为15，add方法中return true,size增为11。
add(int index,E element)方法
//在元素序列 index 位置处插入
public void add(int index, E element) {
rangeCheckForAdd(index); //校验传递的index参数是不是合法
// 1. 检测是否需要扩容
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
// 2. 将 index 及其之后的所有元素都向后移一位
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
size - index);
// 3. 将新元素插入至 index 处
elementData[index] = element;
size++;
}
private void rangeCheckForAdd(int index) {
if (index > size || index < 0) //这里判断的index>size（保证数组的连续性），index小于0
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
add(int index, E element)方法（在元素序列指定位置（假设该位置合理）插入）的过程大概是下面这些
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检测数组是否有足够的空间(这里的实现和上面的)
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将 index 及其之后的所有元素向后移一位
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将新元素插入至 index 处.
将新元素插入至序列指定位置，需要先将该位置及其之后的元素都向后移动一位，为新元素腾出位置。这个操作的时间复杂度为O(N)，频繁移动元素可能会导致效率问题，特别是集合中元素数量较多时。在日常开发中，若非所需，我们应当尽量避免在大集合中调用第二个插入方法。
ArrayList的remove方法
ArrayList支持两种删除元素的方式
1、remove(int index) 按照下标删除
public E remove(int index) {
rangeCheck(index); //校验下标是否合法（如果index>size，旧抛出IndexOutOfBoundsException异常）
modCount++;//修改list结构，就需要更新这个值
E oldValue = elementData(index); //直接在数组中查找这个值
int numMoved = size - index - 1;//这里计算所需要移动的数目
//如果这个值大于0 说明后续有元素需要左移(size=index+1)
//如果是0说明被移除的对象就是最后一位元素(不需要移动别的元素)
if (numMoved > 0)
//索引index只有的所有元素左移一位 覆盖掉index位置上的元素
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
numMoved);
//移动之后，原数组中size位置null
elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
//返回旧值
return oldValue;
}
//src:源数组
//srcPos:从源数组的srcPos位置处开始移动
//dest:目标数组
//desPos:源数组的srcPos位置处开始移动的元素，这些元素从目标数组的desPos处开始填充
//length:移动源数组的长度
public static native void arraycopy(Object src, int srcPos,
Object dest, int destPos,
int length);
删除过程如下图所示
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2、remove(Object o) 按照元素删除，会删除和参数匹配的第一个元素
public boolean remove(Object o) {
//如果元素是null 遍历数组移除第一个null
if (o == null) {
for (int index = 0; index < size; index++)
if (elementData[index] == null) {
//遍历找到第一个null元素的下标 调用下标移除元素的方法
fastRemove(index);
return true;
}
} else {
//找到元素对应的下标 调用下标移除元素的方法
for (int index = 0; index < size; index++)
if (o.equals(elementData[index])) {
fastRemove(index);
return true;
}
}
return false;
}
//按照下标移除元素（通过数组元素的位置移动来达到删除的效果）
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
}
ArrayList的其他方法
ensureCapacity方法
最好在 add 大量元素之前用 ensureCapacity 方法，以减少增量从新分配的次数
public void ensureCapacity(int minCapacity) {
int minExpand = (elementData != DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)
// any size if not default element table
? 0
// larger than default for default empty table. It's already
// supposed to be at default size.
: DEFAULT_CAPACITY;
if (minCapacity > minExpand) {
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
}
ArrayList总结
（1）ArrayList 是一种变长的集合类，基于定长数组实现，使用默认构造方法初始化出来的容量是10（1.7之后都是延迟初始化，即第一次调用add方法添加元素的时候才将elementData容量初始化为10）。
（2）ArrayList 允许空值和重复元素，当往 ArrayList 中添加的元素数量大于其底层数组容量时，其会通过扩容机制重新生成一个更大的数组。ArrayList扩容的长度是原长度的1.5倍
（3）由于 ArrayList 底层基于数组实现，所以其可以保证在 O(1) 复杂度下完成随机查找操作。
（4）ArrayList 是非线程安全类，并发环境下，多个线程同时操作 ArrayList，会引发不可预知的异常或错误。
（5）顺序添加很方便
（6）删除和插入需要复制数组，性能差（可以使用LinkindList）
（7）Integer.MAX_VALUE - 8 ：主要是考虑到不同的JVM,有的JVM会在加入一些数据头,当扩容后的容量大于MAX_ARRAY_SIZE,我们会去比较最小需要容量和MAX_ARRAY_SIZE做比较,如果比它大, 只能取Integer.MAX_VALUE,否则是Integer.MAX_VALUE -8。这个是从jdk1.7开始才有的
fast-fail机制
fail-fast的解释：
In systems design, a fail-fast system is one which immediately reports at its interface any condition that is likely to indicate a failure. Fail-fast systems are usually designed to stop normal operation rather than attempt to continue a possibly flawed process. Such designs often check the system’s state at several points in an operation, so any failures can be detected early. The responsibility of a fail-fast module is detecting errors, then letting the next-highest level of the system handle them.
大概意思是：在系统设计中，快速失效系统一种可以立即报告任何可能表明故障的情况的系统。快速失效系统通常设计用于停止正常操作，而不是试图继续可能存在缺陷的过程。这种设计通常会在操作中的多个点检查系统的状态，因此可以及早检测到任何故障。快速失败模块的职责是检测错误，然后让系统的下一个最高级别处理错误。
其实就是在做系统设计的时候先考虑异常情况，一旦发生异常，直接停止并上报，比如下面的这个简单的例子
//这里的代码是一个对两个整数做除法的方法，在fast_fail_method方法中，我们对被除数做了个简单的检查，如果其值为0，那么就直接抛出一个异常，并明确提示异常原因。这其实就是fail-fast理念的实际应用。
public int fast_fail_method(int arg1,int arg2){
if(arg2 == 0){
throw new RuntimeException("can't be zero");
}
return arg1/arg2;
}
在Java集合类中很多地方都用到了该机制进行设计，一旦使用不当，触发fail-fast机制设计的代码，就会发生非预期情况。我们通常说的Java中的fail-fast机制，默认指的是Java集合的一种错误检测机制。当多个线程对部分集合进行结构上的改变的操作时，有可能会触发该机制时，之后就会抛出并发修改异常ConcurrentModificationException.当然如果不在多线程环境下，如果在foreach遍历的时候使用add/remove方法，也可能会抛出该异常，这里简单做个总结。
之所以会抛出ConcurrentModificationException异常，是因为我们的代码中使用了增强for循环，而在增强for循环中，集合遍历是通过iterator进行的，但是元素的add/remove却是直接使用的集合类自己的方法。这就导致iterator在遍历的时候，会发现有一个元素在自己不知不觉的情况下就被删除/添加了，就会抛出一个异常，用来提示可能发生了并发修改！所以，在使用Java的集合类的时候，如果发生ConcurrentModificationException，优先考虑fail-fast有关的情况，实际上这可能并没有真的发生并发，只是Iterator使用了fail-fast的保护机制，只要他发现有某一次修改是未经过自己进行的，那么就会抛出异常。
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