前言
今天我们来研究一下Util包下的ArrayList类，及其相关的线程安全实现类，具体包括Vector、CopyOnWriteArrayList和集合工具类Collections提供的synchronizedList。
首先我们知道ArrayList是非线程安全的，而在同一个包下的Vector则是ArrayList的线程安全实现的版本，同时为了优化线程安全下的ArrayList的性能，在java.util.concurrent包中又提供了基于写时复制的CopyOnWriteArrayList，在集合工具类Collections中提供了线程安全的List的支持。
首先我们来研究一下最为基础的ArrayList类，在整个集合框架中，ArrayList都是使用频率非常高，并且支持多种使用场景的集合类。说到ArrayList，我们一定要先来了解一下数组Array及两者之间的关系。
数组这一种数据结构，可以算是我们学习的所有数据结构中最为基础和重要的一种。在逻辑结构上，数组以元素加入的顺序组织数据；在物理结构上，数组是一段连续的内存空间；在操作上，数组支持O(1)的时间复杂度内查找和定位到元素，但是在（随机）插入和删除元素的操作上会花费更多时间，并常常需要移动大量的元素来完成插入和删除操作。同时由于数组的长度在初始化时就确定了，因此数组的长度也成为了其使用上的缺点，即数组的长度不能根据实际需求进行变化。因此基于这些问题，我们要使用数组的优势，同时规避和解决其缺点，在Java中就设计和实现了ArrayList类。
ArrayList的实现是基于数组所实现的，因此在插入和删除操作上依旧会比较麻烦，性能弱于基于链表的LinkedList。但是在查找的操作上可以达到O(1)的时间复杂度，同时支持自动的扩容，能够解决数组的部分问题。
ArrayList的数据结构分析
//默认初始大小
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
//ArrayList实例为空时，使用该对象引用
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
//当ArrayList实例初始为空时使用，当ArrayList进行扩容时，进行评估
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
//元素存储数组
transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
//当前ArrayList的大小
private int size;如上所示，ArrayList的数据结构相对较为简单，定义了初始容量和一个共享的空数组引用，此处出现了两个空数组引用EMPTY_ELEMENTDATA和DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA，关于两者的区别，将在后文的核心函数分析中做解析，请耐心研读下去。其中elementData数组即为核心的存储数组，作为元素的存储，同时需要注意该数组对象使用transient关键字进行修饰，保证了ArrayList在序列化时，该数组对象不会被序列化，从而保证了ArrayList的安全性。
ArrayList核心方法分析
ArrayList的方法多较为简单，都是对数组的简单操作。我们简单的来看几个函数，在后文中，着重的对ArrayList的线程安全实现类做分析。在ArrayList中，比较麻烦的是删除（remove）操作，需要进行移位，同时ArrayList提供了很好的扩容优化机制，我们都将在本节中做详细的分析。
1）构造函数
public ArrayList(int initialCapacity) {
//对传入参数进行检测，根据不同的参数值进行处理
if (initialCapacity > 0) {
this.elementData = new Object[initialCapacity];
}
//当初始参数值等于0时，将对象引用直接指向共享独享EMPTY_ELEMENTDATA
else if (initialCapacity == 0) {
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
} else {
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
initialCapacity);
}
}
public ArrayList() {
//无参构造函数，直接将对象引用指向共享空数组DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}这个函数没有什么需要多说的，通过传入参数，对数组进行构造，其中需要注意的是，当传入的容量值initialCapacity为0时，则使用共享对象Empty_ELEMENTDATA的引用。当使用默认的无参构造函数时，可以看到使用的DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA对象的引用。后文的扩容机制中，将继续描述二者的使用情况和区别
2）remove函数
public E remove(int index) {
//同样进行传入参数范围检测
rangeCheck(index);
//删除操作造成ArrayList发生结构变化
modCount++;
//保存老数组的引用
E oldValue = elementData(index);
//计算需要移动的次数
int numMoved = size - index - 1;
//通过拷贝，完成元素的移动
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
numMoved);
elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
return oldValue;
}如上代码所示，对于移位操作，在Java中并没有使用for循环进行移位，而是使用了系统System提供的数组拷贝函数arraycopy来完成的，在同一个数组中完成拷贝。
3）add函数以及ArrayList的扩容机制
这一组的函数较多，我们首先来看一看add函数：
public boolean add(E e) {
//确保当前数组的大小能够添加新元素
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
elementData[size++] = e;
return true;
}
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
//检测当前元素数组是否初始化
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
//若当前元素数组未初始化，则当前元素数组大小默认为DEFAULT_CAPACITY
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
//对当前需要的数组大小进行检测
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
modCount++;
// 若需要的元素大小 大于 当前元素数组的大小 则进行扩容
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}如上代码所示，整个函数的逻辑是非常简单的，但是在Java8中为了很好的设计，每个函数都对应设计了非常简单的工作，同时可以在多个逻辑中被调用，很好的保证了函数的高内聚低耦合的特点。由函数ensureCapacityInternal提供当前所需要的元素数组大小，再由ensureExplicitCapacity决定是否对元素数组进行扩容。
接下来我们再来看看最核心的扩容函数grow：
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
private void grow(int minCapacity) {
//首先保存老数组的长度
int oldCapacity = elementData.length;
//计算扩容后的新数组的长度
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
//若新数组长度没有老数组长度长，则使用老数组的长度
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
//如果需要进行扩容，则进行长度检测，是否需要达到数组的最大长度，即Int的最大表示范围
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
//通过工具类Arrays提供的copyOf进行新数组的构建
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
//进行容量的检测
private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
if (minCapacity < 0) // overflow
throw new OutOfMemoryError();
return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
Integer.MAX_VALUE :
MAX_ARRAY_SIZE;
}整个逻辑还是非常的简单清楚，除此之外，ArrayList在提供扩容时，还提供了ensureCapacity来优化扩容机制。首先来看一看其源码：
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);
}
} 当我们初始化ArrayList的时候不确定需要多大的容量时，我们会使用无参的构造函数，这个时候会造成ArrayList不断的进行扩容，从而降低了效率，此时我们可以使用ensureCapacity来优化此过程，当我们在具体执行ArrayList的添加操作时，知道需要多少容量时，则可以使用该函数，来设置ArrayList的大小，从而不会多次的在Add函数中进行扩容的调用。
具体函数的逻辑大致如下：首先该函数会对元素数组的引用进行检测，检测其是否是对DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA的引用，即是否为默认的无参构造函数所构建的空数组引用，若是则扩容值为0，不是则使用默认的ArrayList的大小。
到目前为止，关于DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA和Empty_ELEMENTDATA的区别也非常明显了，前者为无参构造函数所使用的共享空数组，该数组在多个函数中用来判断当前元素数组为默认空数组，同时可以用来对是否进行扩容做判断。后者则是用户传入容量为0时所使用的共享空数组引用。
后言
当分析完ArrayList的一些核心函数后，发现篇幅不够用了，那么关于ArrayList的线程安全实现类将在下一篇博客中进行详细分析。
而回到ArrayList中来，可以看到虽然这个类非常的重要，但是有关它的具体实现又非常的简单，最核心的部分就集中在其扩容机制上面。通过分析ArrayList的源码，可以看出Java8的设计非常有讲究，虽然一些函数的功能非常的简单，依旧的被独立出来，保证函数的复用性和高内聚。
最后简单的闲聊闲聊，对于Java8的源码分析，我们不仅可以提高对于Java的一些核心类的理解，在实际工程的使用中，能够更清楚选择哪一个类，知道不同类之间的区别。同时在分析中，我们可以学习Java官方对于一些问题是如何解决的，如何去优化一些存在的问题，如何不断的改善类的设计，从而达到更好的性能。这些东西都可以用到我们自己的实际开发中，不断的完善我们自己的开发水平，从而得到收获，因此希望大家可以更多的关注Java源码，关注底层设计。
