死磕 java集合之LinkedList源码分析

Posted 2021-11-26 tong-yuan

问题

（1）LinkedList只是一个List吗？

（2）LinkedList还有其它什么特性吗？

（3）LinkedList为啥经常拿出来跟ArrayList比较？

（4）我为什么把LinkedList放在最后一章来讲？

简介

LinkedList是一个以双向链表实现的List，它除了作为List使用，还可以作为队列或者栈来使用，它是怎么实现的呢？让我们一起来学习吧。

继承体系

通过继承体系，我们可以看到LinkedList不仅实现了List接口，还实现了Queue和Deque接口，所以它既能作为List使用，也能作为双端队列使用，当然也可以作为栈使用。

源码分析

主要属性

// 元素个数
transient int size = 0;
// 链表首节点
transient Node<E> first;
// 链表尾节点
transient Node<E> last;

属性很简单，定义了元素个数size和链表的首尾节点。

主要内部类

典型的双链表结构。

private static class Node<E> {
    E item;
    Node<E> next;
    Node<E> prev;

    Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
        this.item = element;
        this.next = next;
        this.prev = prev;
    }
}

主要构造方法

public LinkedList() {
}

public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
    this();
    addAll(c);
}

两个构造方法也很简单，可以看出是一个无界的队列。

添加元素

作为一个双端队列，添加元素主要有两种，一种是在队列尾部添加元素，一种是在队列首部添加元素，这两种形式在LinkedList中主要是通过下面两个方法来实现的。

// 从队列首添加元素
private void linkFirst(E e) {
    // 首节点
    final Node<E> f = first;
    // 创建新节点，新节点的next是首节点
    final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
    // 让新节点作为新的首节点
    first = newNode;
    // 判断是不是第一个添加的元素
    // 如果是就把last也置为新节点
    // 否则把原首节点的prev指针置为新节点
    if (f == null)
        last = newNode;
    else
        f.prev = newNode;
    // 元素个数加1
    size++;
    // 修改次数加1，说明这是一个支持fail-fast的集合
    modCount++;
}

// 从队列尾添加元素
void linkLast(E e) {
    // 队列尾节点
    final Node<E> l = last;
    // 创建新节点，新节点的prev是尾节点
    final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
    // 让新节点成为新的尾节点
    last = newNode;
    // 判断是不是第一个添加的元素
    // 如果是就把first也置为新节点
    // 否则把原尾节点的next指针置为新节点
    if (l == null)
        first = newNode;
    else
        l.next = newNode;
    // 元素个数加1
    size++;
    // 修改次数加1
    modCount++;
}

public void addFirst(E e) {
    linkFirst(e);
}

public void addLast(E e) {
    linkLast(e);
}

// 作为无界队列，添加元素总是会成功的
public boolean offerFirst(E e) {
    addFirst(e);
    return true;
}

public boolean offerLast(E e) {
    addLast(e);
    return true;
}

典型的双链表在首尾添加元素的方法，代码比较简单，这里不作详细描述了。

上面是作为双端队列来看，它的添加元素分为首尾添加元素，那么，作为List呢？

作为List，是要支持在中间添加元素的，主要是通过下面这个方法实现的。

// 在节点succ之前添加元素
void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
    // succ是待添加节点的后继节点
    // 找到待添加节点的前置节点
    final Node<E> pred = succ.prev;
    // 在其前置节点和后继节点之间创建一个新节点
    final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
    // 修改后继节点的前置指针指向新节点
    succ.prev = newNode;
    // 判断前置节点是否为空
    // 如果为空，说明是第一个添加的元素，修改first指针
    // 否则修改前置节点的next为新节点
    if (pred == null)
        first = newNode;
    else
        pred.next = newNode;
    // 修改元素个数
    size++;
    // 修改次数加1
    modCount++;
}

// 寻找index位置的节点
Node<E> node(int index) {
    // 因为是双链表
    // 所以根据index是在前半段还是后半段决定从前遍历还是从后遍历
    // 这样index在后半段的时候可以少遍历一半的元素
    if (index < (size >> 1)) {
        // 如果是在前半段
        // 就从前遍历
        Node<E> x = first;
        for (int i = 0; i < index; i++)
            x = x.next;
        return x;
    } else {
        // 如果是在后半段
        // 就从后遍历
        Node<E> x = last;
        for (int i = size - 1; i > index; i--)
            x = x.prev;
        return x;
    }
}

// 在指定index位置处添加元素
public void add(int index, E element) {
    // 判断是否越界
    checkPositionIndex(index);
    // 如果index是在队列尾节点之后的一个位置
    // 把新节点直接添加到尾节点之后
    // 否则调用linkBefore()方法在中间添加节点
    if (index == size)
        linkLast(element);
    else
        linkBefore(element, node(index));
}

在中间添加元素的方法也很简单，典型的双链表在中间添加元素的方法。

添加元素的三种方式大致如下图所示：

在队列首尾添加元素很高效，时间复杂度为O(1)。

在中间添加元素比较低效，首先要先找到插入位置的节点，再修改前后节点的指针，时间复杂度为O(n)。

删除元素

作为双端队列，删除元素也有两种方式，一种是队列首删除元素，一种是队列尾删除元素。

作为List，又要支持中间删除元素，所以删除元素一个有三个方法，分别如下。

// 删除首节点
private E unlinkFirst(Node<E> f) {
    // 首节点的元素值
    final E element = f.item;
    // 首节点的next指针
    final Node<E> next = f.next;
    // 添加首节点的内容，协助GC
    f.item = null;
    f.next = null; // help GC
    // 把首节点的next作为新的首节点
    first = next;
    // 如果只有一个元素，删除了，把last也置为空
    // 否则把next的前置指针置为空
    if (next == null)
        last = null;
    else
        next.prev = null;
    // 元素个数减1
    size--;
    // 修改次数加1
    modCount++;
    // 返回删除的元素
    return element;
}
// 删除尾节点
private E unlinkLast(Node<E> l) {
    // 尾节点的元素值
    final E element = l.item;
    // 尾节点的前置指针
    final Node<E> prev = l.prev;
    // 清空尾节点的内容，协助GC
    l.item = null;
    l.prev = null; // help GC
    // 让前置节点成为新的尾节点
    last = prev;
    // 如果只有一个元素，删除了把first置为空
    // 否则把前置节点的next置为空
    if (prev == null)
        first = null;
    else
        prev.next = null;
    // 元素个数减1
    size--;
    // 修改次数加1
    modCount++;
    // 返回删除的元素
    return element;
}
// 删除指定节点x
E unlink(Node<E> x) {
    // x的元素值
    final E element = x.item;
    // x的前置节点
    final Node<E> next = x.next;
    // x的后置节点
    final Node<E> prev = x.prev;
    
    // 如果前置节点为空
    // 说明是首节点，让first指向x的后置节点
    // 否则修改前置节点的next为x的后置节点
    if (prev == null) {
        first = next;
    } else {
        prev.next = next;
        x.prev = null;
    }

    // 如果后置节点为空
    // 说明是尾节点，让last指向x的前置节点
    // 否则修改后置节点的prev为x的前置节点
    if (next == null) {
        last = prev;
    } else {
        next.prev = prev;
        x.next = null;
    }

    // 清空x的元素值，协助GC
    x.item = null;
    // 元素个数减1
    size--;
    // 修改次数加1
    modCount++;
    // 返回删除的元素
    return element;
}
// remove的时候如果没有元素抛出异常
public E removeFirst() {
    final Node<E> f = first;
    if (f == null)
        throw new NoSuchElementException();
    return unlinkFirst(f);
}
// remove的时候如果没有元素抛出异常
public E removeLast() {
    final Node<E> l = last;
    if (l == null)
        throw new NoSuchElementException();
    return unlinkLast(l);
}
// poll的时候如果没有元素返回null
public E pollFirst() {
    final Node<E> f = first;
    return (f == null) ? null : unlinkFirst(f);
}
// poll的时候如果没有元素返回null
public E pollLast() {
    final Node<E> l = last;
    return (l == null) ? null : unlinkLast(l);
}
// 删除中间节点
public E remove(int index) {
    // 检查是否越界
    checkElementIndex(index);
    // 删除指定index位置的节点
    return unlink(node(index));
}

删除元素的三种方法都是典型的双链表删除元素的方法，大致流程如下图所示。

在队列首尾删除元素很高效，时间复杂度为O(1)。

在中间删除元素比较低效，首先要找到删除位置的节点，再修改前后指针，时间复杂度为O(n)。

栈

前面我们说了，LinkedList是双端队列，还记得双端队列可以作为栈使用吗？

public void push(E e) {
    addFirst(e);
}

public E pop() {
    return removeFirst();
}

栈的特性是LIFO(Last In First Out)，所以作为栈使用也很简单，添加删除元素都只操作队列首节点即可。

总结

（1）LinkedList是一个以双链表实现的List；

（2）LinkedList还是一个双端队列，具有队列、双端队列、栈的特性；

（3）LinkedList在队列首尾添加、删除元素非常高效，时间复杂度为O(1)；

（4）LinkedList在中间添加、删除元素比较低效，时间复杂度为O(n)；

（5）LinkedList不支持随机访问，所以访问非队列首尾的元素比较低效；

（6）LinkedList在功能上等于ArrayList + ArrayDeque；

彩蛋

java集合部分的源码分析全部完结，整个专题以ArrayList开头，以LinkedList结尾，我觉得非常合适，因为ArrayList代表了List的典型实现，LInkedList代表了Deque的典型实现，同时LinkedList也实现了List，通过这两个类一首一尾正好可以把整个集合贯穿起来。

还记得我们一共分析了哪些类吗？

下一章，笔者将对整个java集合做一个总结，并提出一些阅读源码过程中的问题，敬请期待^^

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