ArrayList 在我们日常开发中用到的非常多，我们知道 ArrayList 内部是通过 Object 数组实现的，而数组的长度一经定义，就无法更改了。
那么问题就来了，ArrayList 是如何实现扩容的呢？
我们先来看看 ArrayList 类中有哪些成员变量。
ArrayList 的成员变量
/**
* Default initial capacity.
* 默认的初始容量10。
*/
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
/**
* Shared empty array instance used for empty instances.
* 共享的空数组实例，用于空实例。
*/
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/**
* Shared empty array instance used for default sized empty instances. We
* distinguish this from EMPTY_ELEMENTDATA to know how much to inflate when
* first element is added.
*
* 共享的空数组实例，用于默认大小的空实例。
* 我们区分 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 和 EMPTY_ELEMENTDATA
* 为了知道添加第一个元素时要扩容多少。
*/
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/**
* The array buffer into which the elements of the ArrayList are stored.
* The capacity of the ArrayList is the length of this array buffer. Any
* empty ArrayList with elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
* will be expanded to DEFAULT_CAPACITY when the first element is added.
*
* Object[] 用于实际存储 ArrayList 的元素。ArrayList 的容量是数组的长度。
* 当添加第一个元素的时候，任何空的ArrayList（elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA）
* 容量将被增加到DEFAULT_CAPACITY。
*/
transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
/**
* The size of the ArrayList (the number of elements it contains).
* ArrayList 的大小（ArrayList 中包含的元素个数）
* @serial
*/
private int size;
复制代码问题一：ArrayList 中的size 和 capacity 怎么理解？
size 用于记录 ArrayList 实例中 elementData 数组中元素的个数，capacity 是elementData 数组的长度（包括已使用的数组空间和未使用的数组空间）。如果被 ArrayList 看作一个喝水的杯子的话，capacity 就是杯子的容积，也就是代表了杯子能装多少水，size 就是杯子已经装的水的体积。杯子可能装满了水也可能没装满。
要想使用一个类，首先要创建这个类的实例，那么接下来我们看看 ArrayList 有哪些构造方法，这是我们比较关心的。
ArrayList 的构造方法
1、 无参构造方法
注释上说，构造一个初始容量为10的空列表。实际上，Java8 中使用了延迟初始化，使用无参构造方法，并不会马上创建长度为 10 的数组，而是在调用 add 方法添加第一个元素的时候才对 elementData 数组进行初始化（后面会看到）。
/**
* Constructs an empty list with an initial capacity of ten.
*/
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
复制代码2、指定初始容量的构造方法
传入初始容量 initialCapacity，如果初始容量大于 0，那么直接创建一个指定大小的 Object 数组；如果初始容量等于0，elementData 指向共享的空数组实例 EMPTY_ELEMENTDATA。如果初始容量小于0，抛出 IllegalArgumentException 异常。
/**
* Constructs an empty list with the specified initial capacity.
*
* @param initialCapacity the initial capacity of the list
* @throws IllegalArgumentException if the specified initial capacity
* is negative
*/
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);
}
}
复制代码3、指定初始集合的构造方法
/**
* Constructs a list containing the elements of the specified
* collection, in the order they are returned by the collection's
* iterator.
*
* @param c the collection whose elements are to be placed into this list
* @throws NullPointerException if the specified collection is null
*/
public ArrayList(Collection 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;
}
}
复制代码问题二：ArrayList 源码中为何定义两个 Object 数组呢？EMPTY_ELEMENTDATA 和 DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 各有什么用处？
从以上源码中可以看出，这两个常量都是空 Object 数组的引用，都表示 ArrayList 实例的空状态，即 elementData 数组中没有元素。EMPTY_ELEMENTDATA 是使用指定初始容量的构造方法 ArrayList(int initialCapacity)（初始容量大小为0） 和 指定初始集合的构造方法 ArrayList(Collection c)（初始集合大小为0） 时使用。DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 是使用无参构造方法时使用的。
构造方法也有了，接下来我们看看如何向 ArrayList 容器中添加一个元素。
添加元素
/**
* Appends the specified element to the end of this list.
*
* @param e element to be appended to this list
* @return true (as specified by {@link Collection#add})
*/
public boolean add(E e) {
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
elementData[size++] = e;
return true;
}
复制代码add 方法向 ArrayList 中添加1个元素，为了确保 ArrayList 内部数组容量，add 方法内部首先调用 ensureCapacityInternal 方法，入参 minCapacity 为 ArrayList 包含的实际元素个数 size + 1。
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}
复制代码ensureCapacityInternal 内部调用 calculateCapacity 方法来计算容量，如果 ArrayList 是通过无参构造方法进行创建的，那么满足下面 if 条件（elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA），如果是添加第一个元素，则minCapacity 为 1，则数组扩容到 DEFAULT_CAPACITY 大小为10，这也对应了无参构造方法的注释 Constructs an empty list with an initial capacity of ten 。
private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
// 如果是空ArrayList，则容量为 DEFAULT_CAPACITY 和 minCapacity 的最大值
return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
return minCapacity;
}
复制代码笔者当时读到 Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity); 这行代码的时候有点小小的困惑，既然elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 说明当前的 ArrayList 是空的，那么直接返回DEFAULT_CAPACITY 值不就行了么，为啥还要比较呢。直到后来发现了 addAll(Collection c) 这个方法，addAll 方法可以一次向 ArrayList 中添加多个元素，新增加的元素个数可能大于 DEFAULT_CAPACITY ，为了减少扩容次数，应该取 DEFAULT_CAPACITY 和 minCapacity 的最大值。
minCapacity 等于 ArrayList 当前实际元素个数size + 新增的元素个数，minCapacity是扩容后 Object 数组的最小长度。
ensureExplicitCapacity 方法确保 ArrayList 有足够的容量存放新的元素。
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
modCount++;
// overflow-conscious code
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}
复制代码容量不够的话，会调用 grow 方法 进行扩容操作。
扩容操作
/**
* The maximum size of array to allocate.
* Some VMs reserve some header words in an array.
* Attempts to allocate larger arrays may result in
* OutOfMemoryError: Requested array size exceeds VM limit
*/
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
/**
* Increases the capacity to ensure that it can hold at least the
* number of elements specified by the minimum capacity argument.
*
* @param minCapacity the desired minimum capacity
*/
private void grow(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length;
// 新容量扩大到原容量的1.5倍
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
if (newCapacity - minCapacity < 0)
// 如果新容量还是比所需的最小容量小，则让新容量等于所需的最小容量
newCapacity = minCapacity;
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
// 如果新容量超过了Integer.MAX_VALUE - 8，继续计算
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
// minCapacity is usually close to size, so this is a win:
// 所需的最小容量minCapacity 接近size
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
复制代码扩容计算，int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); oldCapacity 是ArrayList 内部数组长度，oldCapacity >> 1 是位运算的右移操作，右移一位相当于除以2，新的容量 newCapacity 为之前容量的1.5倍。
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); 对 elementData 数组进行扩容。
private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
if (minCapacity < 0) // overflow
throw new OutOfMemoryError();
return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
Integer.MAX_VALUE :
MAX_ARRAY_SIZE;
}
复制代码问题三：ArrayList 扩容每次都是原容量的1.5倍吗？
从源码中可以看出，当使用无参构造方法创建一个 ArrayList 实例，调用 add 方法添加第一个元素的时候，calculateCapacity 方法返回的是默认初始容量 DEFAULT_CAPACITY 大小为10；当使用指定初始容量创建ArrayList 实例，调用 addAll 方法添加多个元素的时候，原容量的1.5倍也无法存放元素的时候，会创建一个更大（不会超过 Integer.MAX_VALUE）的数组来存放元素。
问题四：ArrayList 的 add 操作如何优化？
扩容需要移动数据，非常影响性能。那么优化的重点就是尽量避免 ArrayList 内部进行内部扩容。对于add 操作，如果添加的元素个数已知，最好使用指定初始容量的构造方法创建 ArrayList 实例或者在添加元素之前执行ensureCapacity 方法确保有足够的容量来存放add 操作的元素。