List是Java中非常常用的數據結構，而ArrayList是其中最常用的實現，ArrayList正如它的名稱一樣，它的本質是一個數組，所有的元素都會以數組的形式保存在內存中，然后提供各種操作數組的方法。
初始化
既然對象要存到數組，那么肯定就需要預先分配好內存，這也是ArrayList優化的核心因素。
ArrayList提供了三個構造函數：
public ArrayList()public ArrayList(int initialCapacity)public ArrayList(Collection<? extends E> c)
先來說說最簡單的無參構造方法ArrayList()：
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA是一個空的數組，采用這種初始化方式，就意味著我們需要使用ArrayList的默認設置（默認不初始化數組），有意思的是在jdk1.6中，這個方法里面只是簡單地調用了一下另外一個構造方法ArrayList(10)。
再來看第二種構造形式：ArrayList(int initialCapacity)：
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);
}
}
它則要求用戶輸入一個值初始化大小，ArrayList根據這個值來分配數組的大小。
第三種構造方法：ArrayList(Collection<? extends E> c)則是將Collection對象轉換成數組（通過collection內置的方法），然后拷貝到ArrayList的元素中，不是一種特別高效的方式:
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
elementData = c.toArray();
if ((size = elementData.length) != 0) {
// c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
if (elementData.getClass() != Object[].class)
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
} else {
// replace with empty array.
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}
}
在以上的源碼中所展示的一樣，ArrayList擁有一個elementData數組對象，它所有的儲存的元素都會保存在這個對象數組中。
添加元素
在初始化這個容器之后，我們現在最需要做的就是將數據存到ArrayList里面，ArrayList提供了幾種添加元素的方法:
public void add(int index, E element)public boolean add(E e)-
public boolean addAll(Collection<? extends E> c)// 由AbstractCollection提供，內部其實使用了add()方法 -
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c)// 由AbstractList提供，內部也是使用了add()方法
那么讓我們由最簡單的add()方法，來解析ArrayList是如何將數據存入數組的。
public boolean add(E e) {
ensureCapacityInternal(size + 1);
elementData[size++] = e;
return true;
}
這里使用一個參數size，這個參數保存了當前ArrayList中存儲元素數量。
ensureCapacityInternal(int size)函數是一個私有方法，負責確認數組是否需要擴容，以及是否需要調整參數的大小，看看它內部具體的實現：
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
這個函數中，我們發現有一句特意為無參構造方法寫的if語句，DEFAULT_CAPACITY的值為10，ensureExplicitCapacity方法會判斷數組是不是真的需要擴容，然后會調用grow()函數執行真正的數組擴容。
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
modCount++; // 這是為迭代器快速失敗提供的一個參數，可以暫時忽略
// overflow-conscious code
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}
所以，這意味著如果我們初始化的是一個空的ArrayList，那么數組直到被add的時候才會擴容，相比1.6中一經初始化就占用空間，是做了一些調整的。
那么grow()方法中又是如何為數組擴容的呢：
private void grow(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length;
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // 右移一位，二進制中高位減少一個數量級，即除以2
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);
}
從中可以看到ArrayList在確認擴容之后利用Arrays.copyOf()方法產生一個空間為原來1.5倍的新數組，并將老的數組復制到新的數組中，也就是將老的元素，整體從一個位置挪到了另外一個位置，老的數組等待被GC釋放。
在確認數組的大小能夠容納下新的元素之后，我們回到add()方法，新添加的元素添加到索引為size值的位置，然后擴大size的值。
說到擴容，ArrayList為我們提供了一個公開的方法ensureCapacity()，幫助我們手動擴容：
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);
}
}
因為擴容總是1.5倍，有時候這并非我們希望的數組大小，如果我們事先已經預知代碼執行到某一段的時候，需要擴容的操作，那么我們就可以使用ensureCapacity()方法手動擴容到期望的大小。
刪除元素
既然元素可以被添加的，那么也應該可以被刪除，ArrayList提供了幾個刪除方法：
這里我們分析下最常用的remove(int index)方法
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;
}
這個方法中，rangeCheck(index)會檢查傳入的參數是否超出數組大小越界。
之后remove()方法通過elementData()方法查詢出要被刪除的數據：
E elementData(int index) {
return (E) elementData[index];
}
使用System.arraycopy函數復制數據覆蓋原先的索引位置上的數據，并將最后一位制空并減少size值，等待被GC回收內存。
查詢數據
ArrayList可以通過get()方法查詢數據：
public E get(int index) {
// 檢查傳入的參數是否越界
rangeCheck(index);
// 從 elementData 數組中取出對應索引位置的數據,強轉成對應的類型
return elementData(index);
}
由于是基于數組的容器，查詢的時候知道位置，數組大小可以被確定，查詢的復雜度為復雜度O(1)，查詢的速度是非常快的。
當然既然是數組，更多的時候，我們需要遍歷整個數組，在Java8提供了lambda之后，ArrayList也提供了一個forEach()方法完成整個數組的遍歷：
public void forEach(Consumer<? super E> action) {
Objects.requireNonNull(action);
final int expectedModCount = modCount;
@SuppressWarnings("unchecked")
final E[] elementData = (E[]) this.elementData;
final int size = this.size;
for (int i=0; modCount == expectedModCount && i < size; i++) {
action.accept(elementData[i]);
}
if (modCount != expectedModCount) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
從中不難發現，forEach()方法遍歷數組的本質其實還是利用了最基本的for循環，然后直接通過索引位置取得數據。
總結
ArrayList作為最常用的數據結構，需要更好地了解才能更好地使用它。從以上的分析中也不難看出ArrayList最大的消耗來自于到處數組拷貝，幾乎所有操作元素的地方，都可能(對，只是可能)出現數組的拷貝，這本身是一個非常大的消耗，而大量老數組等待被GC也增加了GC的負擔。
所以使用ArrayList最好的姿勢，應該是初始化的時候，估算好數組的大小，然后將元素放入容器之后，盡量不要再做一些修改容器的操作。
