一、ArrayList源码分析（JDK7）
ArrayList内部维护了一个动态的Object数组，ArrayList的动态增删就是对这个对组的动态的增加和删除。
1、ArrayList构造以及初始化
ArrayList实例变量 //ArrayList默认容量 private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10; //默认空的Object数组， 用于定义空的ArrayList private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {}; //ArrayList存放存放元素的Object数组 private transient Object[] elementData; //ArrayList中元素的数量 private int size;
ArrayList构造函数：
无参构造函数: 即构造一个空的Object[]
public ArrayList() { super(); this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA; }
指定容量大小构造：
public ArrayList(int initialCapacity) { super(); if (initialCapacity < 0) throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+ initialCapacity); this.elementData = new Object[initialCapacity]; }
指定某一实现Collection接口的集合构造：
public ArrayList(Collection<? extends E> c) { elementData = c.toArray(); size = elementData.length; // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652) if (elementData.getClass() != Object[].class) elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class); }
这里也说明了Collection的作用， java-collection-framwork设计Collection接口而不是直接使用List，Set等接口的原因。
2、ArrayList的容量分配机制
ArrayList的容量上限： ArrayList容量是有上限的，理论允许分配Integer.Max_VALUE - 8大小的容量。但是能分配多少还跟堆栈设置有关， 需要设置VM参数
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
调用Add方法时扩容规则
public boolean add(E e) { ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!! elementData[size++] = e; return true; }
ensureCapacityInternal(int)方法实际上确定一个最小扩容大小。
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) { if (elementData == EMPTY_ELEMENTDATA) { minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity); } ensureExplicitCapacity(minCapacity); } private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) { modCount++; // overflow-conscious code if (minCapacity - elementData.length > 0) grow(minCapacity); }
关于modCount： modCount定义在抽象类AbstratList中， 源码的注释基本说明了它的用处:在使用迭代器遍历的时候，用来检查列表中的元素是否发生结构性变化（列表元素数量发生改变的一个计数）了，主要在多线程环境下需要使用，防止一个线程正在迭代遍历，另一个线程修改了这个列表的结构。
grow方法为真正的扩容方法
private void grow(int minCapacity) { // overflow-conscious code int oldCapacity = elementData.length; int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); 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); }
其中对大容量扩容多少还有个hugeCapacity方法
private static int hugeCapacity(int minCapacity) { if (minCapacity < 0) // overflow throw new OutOfMemoryError(); return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ? Integer.MAX_VALUE : MAX_ARRAY_SIZE; }
总结：
每次扩容都会伴随着数组的复制操作， 因此一次给定恰当的容量会提高一点性能。
下图是我归纳的整个扩容流程：
3.ArrayList迭代器
ArrayList的迭代器主要有两种Itr和ListItr, 但是在jDK1.8中还添加了一个ArrayListSpliterator, 下面分别学一下Itr和ListItr的源码分析。
（1）Itr:只能向后遍历
private class Itr implements Iterator<E> { int cursor; // index of next element to return int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such //expectedModCount 是modCount的一个副本 int expectedModCount = modCount; public boolean hasNext() { return cursor != size; } @SuppressWarnings("unchecked") public E next() { checkForComodification(); //记录当前位置 int i = cursor; if (i >= size) throw new NoSuchElementException(); Object[] elementData = ArrayList.this.elementData; if (i >= elementData.length) throw new ConcurrentModificationException(); //下一个元素的位置 cursor = i + 1; return (E) elementData[lastRet = i]; } //使用迭代器的remove方法 public void remove() { if (lastRet < 0) throw new IllegalStateException(); checkForComodification(); try { //注意内部类调用外部类的方式 ArrayList.this.remove(lastRet); //remove之后需要重新调整各个指针的位置 cursor = lastRet; lastRet = -1; expectedModCount = modCount; } catch (IndexOutOfBoundsException ex) { throw new ConcurrentModificationException(); } } final void checkForComodification() { if (modCount != expectedModCount) throw new ConcurrentModificationException(); } }
从源码中可以看出Itr迭代器是向前迭代器， 它提供了一个next方法用于获取ArrayList中的元素。
checkForComodification是java-collection-framwork中的一种fail-fast的错误检测机制。在多线程环境下对同一个集合操作，就可能触发fail-fast机制， 抛出ConcurrentModificationException异常。
Itr迭代器定义了一个expectedModCount记录modCount副本。在ArrayList执行改变结构的操作的时候例如Add， remove， clear方法时modCount的值会改变。
通过Itr源码可以看出调用next和remove方法会触发fail-fast检查。此时如果在遍历该集合时， 存在其他线程正在执行改变该集合结构的操作时就会发生异常。
（2）ListItr：支持向前和向后遍历，下面看看ListItr的源码：
private class ListItr extends Itr implements ListIterator<E> { ListItr(int index) { super(); cursor = index; } public boolean hasPrevious() { return cursor != 0; } public int nextIndex() { return cursor; } public int previousIndex() { return cursor - 1; } @SuppressWarnings("unchecked") public E previous() { checkForComodification(); //arrayList前一个元素的位置 int i = cursor - 1; if (i < 0) throw new NoSuchElementException(); Object[] elementData = ArrayList.this.elementData; if (i >= elementData.length) throw new ConcurrentModificationException(); cursor = i; return (E) elementData[lastRet = i]; } //该迭代器中添加了set方法 public void set(E e) { if (lastRet < 0) throw new IllegalStateException(); checkForComodification(); try { ArrayList.this.set(lastRet, e); } catch (IndexOutOfBoundsException ex) { throw new ConcurrentModificationException(); } } //该迭代器添加了add方法 public void add(E e) { checkForComodification(); try { int i = cursor; ArrayList.this.add(i, e); //重新标记指针位置 cursor = i + 1; lastRet = -1; expectedModCount = modCount; } catch (IndexOutOfBoundsException ex) { throw new ConcurrentModificationException(); } } }
ListItr的实现基本与Itr一致， 添加了可以先前遍历的方法以及add与set方法。
（3）使用java.util.concurrent中的CopyOnWriteArrayList解决fast-fail问题
CopyOnWriteArrayList是线程安全的， 具体看一下它的add方法源码：
public boolean add(E e) { final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lock(); try { Object[] elements = getArray(); int len = elements.length; Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1); newElements[len] = e; setArray(newElements); return true; } finally { lock.unlock(); } }
CopyOnWriteArrayList就是写时复制的ArrayList。当开始写数据的操作时候， Arrays.copyOf一个新的数组， 这样不会影响读操作。
这样的代价就是会损耗内存， 带来性能的问题。CopyOnWriteArrayList写的时候在内存中生成一个副本对象， 同时原来的对象仍然存在。
CopyOnWriteArrayList无法保证数据实时的一致， 只能保证结果的一致。适用于并发下读多写少得场景， 例如缓存。
（4）ArrayList的其他方法源码：
一个私有方法batchRemove(Collection<?>c, boolean complement)， 即批量移除操作
private boolean batchRemove(Collection<?> c, boolean complement) { //下面会提到使用final的原因 final Object[] elementData = this.elementData; int r = 0, w = 0; boolean modified = false; try { //遍历List中的元素，进行验证 for (; r < size; r++) if (c.contains(elementData[r]) == complement) elementData[w++] = elementData[r]; } finally { //try中如果出现异常，则保证数据一致性执行下面的copy操作 if (r != size) { System.arraycopy(elementData, r, elementData, w, size - r); w += size - r; } //清理无用的元素， 通知GC回收 if (w != size) { // clear to let GC do its work for (int i = w; i < size; i++) elementData[i] = null; modCount += size - w; size = w; modified = true; } } return modified; }
final修饰的变量指的是同一个引用， 为了后面保持数据的一致性。
此方法，想保留Collection c中的元素时， complement值为true； 想移除c中的元素时， complement值为false。这样就分别变成了retainAll和removeAll方法。
swap：交换arrayList中的某两个位置的
二、LinkedList源码分析（JDK7）
LinkedList即链表， 相对于顺序表， 链表存储数据不需要使用地址连续的内存单元。减少了修改容器结构而带来的移动元素的问题，顺序访问相对高效。
1、结点（Node）的定义
JDK中的LinkedList是双向链表， 每个结点分别存有上一个结点和下一个结点的信息。它的定义如下：
private static class Node<E> { E item; Node<E> next; Node<E> prev; Node<E> (Node<E> prev, E element, Node<E> next) { this.item = element; this.next = next; this.prev = prev; } }
2、LinkedList构造以及初始化
成员： LinkedList中维护了3个成员变量， 用以记录链表中结点的个数， 结点的前驱以及后继
transient int size = 0; transient Node<E> first; transient Node<E> last;
构造函数： 默认构造函数即构造一个空的LinkedList
public LinkedList() {}
或者根据其他容器进行构造， 后面我们会自己写一个构造一个有序的链表
public LinkedList(Collection<? extends E> c) { this(); addAll(c); }
这里给出一点补充， 关于泛型修饰符? super T 与 ? extends T的区别，参见这篇文章泛型中? super T和? extends T的区别
3、LinkedList的结构操作
头插法： 即在链表头插入一个元素
private void linkFirst(E e) { final Node<E> f = first; final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f); first = newNode; //判断是否是空链表 if (f == null) last = newNode; else f.prev = newNode; size++; modCount++; }
尾插法： 即在链表尾部插入一个元素
void linkLast(E e) { final Node<E> l = last; final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null); last = newNode; if (l == null) first = newNode; else l.next = newNode; size++; modCount++; }
插入到当前结点之前： 找当前结点的前驱
void linkBefore(E e, Node<E> succ) { //确定当然结点非空 final Node<E> pred = succ.prev; final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ); succ.prev = newNode; //判断当前结点是否是第一个结点 if (pred == null) first = newNode; else pred.next = newNode; size++; modCount++; }
头删法： 删除链表的第一个结点
private E unlinkFirst(Node<E> f) { // assert f == first && f != null; final E element = f.item; final Node<E> next = f.next; f.item = null; f.next = null; // help GC first = next; if (next == null) last = null; else next.prev = null; size--; modCount++; return element; }
尾删法：删除链表的最后一个结点
private E unlinkLast(Node<E> l) { //保证l==last 并且l != null final E element = l.item; final Node<E> prev = l.prev; l.item = null; l.prev = null; // help GC last = prev; if (prev == null) first = null; else prev.next = null; size--; modCount++; return element; }
4、保持List接口与Deque的一致性
List接口允许使用下标来实现对容器的随机访问，对于数组这种实现随机访问是很容易的。对于链表，JDK也从逻辑上利用链表中结点的计数给出了随机访问的实现
Node<E> node(int index) { //确保index的正确性 if (index < (size >> 1)) { Node<E> x = first; for (int i = 0; i < index; i++) x = x.next; return x; } else { Node<E> x = last; for (int i = size - 1; i > index; i--) x = x.prev; return x; } }
index 属于前半部分的计数， 从头遍历查找。index属于后半部分的计数， 从末尾遍历查找。充分利用双向链表的特点。
因此，add(int index, T t), get(int), set(int)等方法就可以很容易的实现。
LinkedList实现了Deque接口， 也就是LinkedList实现了双端队列容器的方法，下面给出一些API的总结。
5、LinkedList的遍历
既然LinkedList是双向链表， 自然就可以前后遍历。与ArrayList同样， 涉及到多线程操作容器的时候LinkedList也会出现fail-fast问题。
对于fail-fast问题上篇已经讲解过， 这里就不说了。
关于迭代器，LinkedList有listIterator双向迭代器， 和DescendingIterator逆序迭代器。都很简单。源码不在分析
如果遍历元素的话， 随机访问的代价是比较大得。
三、LinkedList，ArrayList， Vector总结
1、LinkedList与ArrayList
ArrayList是实现了基于动态数组的数据结构，LinkedList基于链表的数据结构。
对于随机访问get和set，ArrayList觉得优于LinkedList，因为LinkedList要移动指针。
对于新增和删除操作add和remove，LinedList比较占优势，因为ArrayList要移动数据。这一点要看实际情况的。若只对单条数据插入或删除，ArrayList的速度反而优于LinkedList。但若是批量随机的插入删除数据，LinkedList的速度大大优于ArrayList. 因为ArrayList每插入一条数据，要移动插入点及之后的所有数据。
2、ArrayList与Vector
vector是线程同步的，所以它也是线程安全的，而arraylist是线程异步的，是不安全的。如果不考虑到线程的安全因素，一般用arraylist效率比较高。
如果集合中的元素的数目大于目前集合数组的长度时，vector增长率为目前数组长度的100%,而arraylist增长率为目前数组长度的50%.如过在集合中使用数据量比较大的数据，用vector有一定的优势。
如果查找一个指定位置的数据，vector和arraylist使用的时间是相同的，都是0(1),这个时候使用vector和arraylist都可以。而如果移动一个指定位置的数据花费的时间为0(n-i)n为总长度，这个时候就应该考虑到使用linklist,因为它移动一个指定位置的数据所花费的时间为0(1),而查询一个指定位置的数据时花费的时间为0(i)。
ArrayList 和Vector是采用数组方式存储数据，此数组元素数大于实际存储的数据以便增加和插入元素，都允许直接序号索引元素，但是插入数据要设计到数组元素移动等内存操作，所以索引数据快插入数据慢，Vector由于使用了synchronized方法（线程安全）所以性能上比ArrayList要差，LinkedList使用双向链表实现存储，按序号索引数据需要进行向前或向后遍历，但是插入数据时只需要记录本项的前后项即可，所以插入数度较快！
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