LinkedList
前言
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堆栈使用。
LinkedList介绍
LinkedList继承关系
LinkedList简介
LinkedList是一个继承于AbstractSequentialList的双向链表。它也可以被当做堆栈、队列或双端队列进行使用。LinkedList实现List接口，能让它进行队列操作。LinkedList实现Deque接口，即能将LinkedList当做双端队列使用。LinkedList实现Cloneable，即覆盖了函数clone()，能被克隆。LinkedList实现了java.io.Serializable接口，这意味着LinkedList支持序列化，能通过序列化去传输。LinkedList中的操作不是线程安全的。
LinkedList源码分析
AbstractSequentialList介绍
我们在看LinkedList之前先简单介绍下其父类AbstractSequentialList。
AbstractSequentialList继承自AbstractList，是List接口的简化版实现。
AbstractSequentialList只支持按次序访问（链表在内存中不是按顺序存放的，而是通过指针连在一起，为了访问某一元素，必须从链头开始顺着指针才能找到某一个元素。），不像AbstractList可以随机访问。
想要实现一个支持次序访问的List的话，只需要继承这个类，并实现的指定的方法listIterator(int index)和size()。实现ListIterator的hasNext()、next()、hasPrevious()、previous()、previousIndex()就可以获得一个不可修改的列表，如果你想让它可修改还需实现remove()、set(E e)、add(E e)方法。
属性
LinkedList的主要属性如下代码所示:
//链表节点的个数
transient int size = 0;
//链表首节点
transient Node<E> first;
//链表尾节点
transient Node<E> last;
关于transient关键字的最用可以查看我上次写的ArrayList。
//内部静态类
private static class Node<E> {
//当前节点元素值
E item;
//下一个节点
Node<E> next;
//上一个节点
Node<E> prev;
Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
this.item = element;
this.next = next;
this.prev = prev;
}
}
构造函数
无参构造函数
如果不传入参数，则使用默认构造方法创建LinkedList对象，如下：
public LinkedList() {
}
此时创建的是一个空的链表。
带Collection对象的构造函数
public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
this();
addAll(c);
}
首先会调用无参数的构造方法，然后调用addAll方法将集合内元素全部加入到链表中，addAll方法我们后面会详细的分析。
从上述的俩个构造方法可以看出LinkedList是一个无界链表，不存在容量不足的问题。
添加元素
LinkedList主要提供addFirst、addLast、add、addAll等方法来实现元素的添加。下面我们一一来看：
//在链表首部添加元素
public void addFirst(E e) {
linkFirst(e);
}
private void linkFirst(E e) {
//将内部保存的首节点点赋值给f
final Node<E> f = first;
//创建新节点，新节点的next节点是当前的首节点
final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
//把新节点作为新的首节点
first = newNode;
//判断是否是第一个添加的元素
//如果是将新节点赋值给last
//如果不是把原首节点的prev设置为新节点
if (f == null)
last = newNode;
else
f.prev = newNode;
//更新链表节点个数
size++;
//将集合修改次数加1
modCount++;
}
//在链表尾部添加元素
public void addLast(E e) {
linkLast(e);
}
void linkLast(E e) {
//将内部保存的尾节点赋值给l
final Node<E> l = last;
//创建新节点，新节点的prev节点是当前的尾节点
final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
//把新节点作为新的尾节点
last = newNode;
//判断是否是第一个添加的元素
//如果是将新节点赋值给first
//如果不是把原首节点的next设置为新节点
if (l == null)
first = newNode;
else
l.next = newNode;
//更新链表节点个数
size++;
//将集合修改次数加1
modCount++;
}
//该方法和addLast方差不多，因为是无界的，所以添加元素总是会成功
public boolean add(E e) {
linkLast(e);
return true;
}
//该方法和上面add方法的区别是，该方法可以指定位置插入元素
public void add(int index, E element) {
//判断是否越界
checkPositionIndex(index);
//如果index等于链表节点个数，就将元素添加到俩表尾部，否则调用linkBefore方法
if (index == size)
linkLast(element);
else
linkBefore(element, node(index));
}
//获取指定位置的节点
Node<E> node(int index) {
//如果index小于size的一半，就从首节点开始遍历，一直获取x的下一个节点
//如果index大于或等于size的一半，就从尾节点开始遍历，一直获取x的上一个节点
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;
}
}
//将元素插入到指定节点前
void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
assert succ != null;
//拿到succ的上一节点
final Node<E> pred = succ.prev;
//创建新节点
final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
//将新节点作为succ的上一节点
succ.prev = newNode;
//判断succ是否是首节点
//如果是将新节点作为新的首节点
//如果不是将新节点作为pred的下一节点
if (pred == null)
first = newNode;
else
pred.next = newNode;
//更新链表节点个数
size++;
//将集合修改次数加1
modCount++;
}
//将集合内的元素依次插入index位置后
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
//判断是否越界
checkPositionIndex(index);
//将集合转换为数组
Object[] a = c.toArray();
int numNew = a.length;
//判断数组长度是否为0，为0直接返回false
if (numNew == 0)
return false;
//pred上一个节点，succ当前节点
Node<E> pred, succ;
//判断index位置是否等于链表元素个数
//如果等于succ赋值为null，pred赋值为当前链表尾节点last
//如果不等于succ赋值为index位置的节点，pred赋值为succ的上一个节点
if (index == size) {
succ = null;
pred = last;
} else {
succ = node(index);
pred = succ.prev;
}
//循环数组
for (Object o : a) {
E e = (E) o;
//创建新节点
Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, null);
//如果上一个节点为null，把新节点作为新的首节点，否则pred的下一个节点为新节点
if (pred == null)
first = newNode;
else
pred.next = newNode;
//把新节点赋值给上一个节点
pred = newNode;
}
//如果index位置的节点为null，把pred作业尾节点
//如果不为null，pred的下一节点为index位置的节点，succ的上一节点为pred
if (succ == null) {
last = pred;
} else {
pred.next = succ;
succ.prev = pred;
}
//更新链表节点个数
size += numNew;
//将集合修改次数加1
modCount++;
//因为是无界的，所以添加元素总是会成功
return true;
}
看到上面这么多种方式添加元素，其实本质只是三种方式，在链表的首部、尾部、中间位置添加元素。如下图所示：
在链表首尾添加元素很高效，在中间添加元素比较低效，首先要找到插入位置的节点，在修改前后节点的指针。
删除元素
LinkedList提供了remove、removeFirst、removeLast等方法删除元素。
public boolean remove(Object o) {
//因为LinkedList允许存在null，所以需要进行null判断
if (o == null) {
//从首节点开始遍历
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
if (x.item == null) {
//调用unlink方法删除指定节点
unlink(x);
return true;
}
}
} else {
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
if (o.equals(x.item)) {
unlink(x);
return true;
}
}
}
return false;
}
//删除指定节点
E unlink(Node<E> x) {
//获取x节点的元素，以及它上一个节点，和下一个节点
final E element = x.item;
final Node<E> next = x.next;
final Node<E> prev = x.prev;
//如果x的上一个节点为null，说明是首节点，将x的下一个节点设置为新的首节点
//否则将x的上一节点设置为next，将x的上一节点设为null
if (prev == null) {
first = next;
} else {
prev.next = next;
x.prev = null;
}
//如果x的下一节点为null，说明是尾节点，将x的上一节点设置新的尾节点
//否则将x的上一节点设置x的上一节点，将x的下一节点设为null
if (next == null) {
last = prev;
} else {
next.prev = prev;
x.next = null;
}
//将x节点的元素值设为null，等待垃圾收集器收集
x.item = null;
//链表节点个数减1
size--;
//将集合修改次数加1
modCount++;
//返回删除节点的元素值
return element;
}
//删除指定位置的节点，其实和上面的方法差不多
//通过node方法获得指定位置的节点，再通过unlink方法删除
public E remove(int index) {
checkElementIndex(index);
return unlink(node(index));
}
//删除首节点
public E remove() {
return removeFirst();
}
//删除首节点
public E removeFirst() {
final Node<E> f = first;
//如果首节点为null，说明是空链表，抛出异常
if (f == null)
throw new NoSuchElementException();
return unlinkFirst(f);
}
//删除首节点
private E unlinkFirst(Node<E> f) {
//首节点的元素值
final E element = f.item;
//首节点的下一节点
final Node<E> next = f.next;
//将首节点的元素值和下一节点设为null，等待垃圾收集器收集
f.item = null;
f.next = null; // help GC
//将next设置为新的首节点
first = next;
//如果next为null，说明说明链表中只有一个节点，把last也设为null
//否则把next的上一节点设为null
if (next == null)
last = null;
else
next.prev = null;
//链表节点个数减1
size--;
//将集合修改次数加1
modCount++;
//返回删除节点的元素值
return element;
}
//删除尾节点
public E removeLast() {
final Node<E> l = last;
//如果首节点为null，说明是空链表，抛出异常
if (l == null)
throw new NoSuchElementException();
return unlinkLast(l);
}
private E unlinkLast(Node<E> l) {
//尾节点的元素值
final E element = l.item;
//尾节点的上一节点
final Node<E> prev = l.prev;
//将尾节点的元素值和上一节点设为null，等待垃圾收集器收集
l.item = null;
l.prev = null; // help GC
//将prev设置新的尾节点
last = prev;
//如果prev为null，说明说明链表中只有一个节点，把first也设为null
//否则把prev的下一节点设为null
if (prev == null)
first = null;
else
prev.next = null;
//链表节点个数减1
size--;
//将集合修改次数加1
modCount++;
//返回删除节点的元素值
return element;
}
删除和添加一样，其实本质只有三种方式，即删除首部、尾部、中间节点。如下图（图片来自网络）所示：
和添加一样，首尾删除很高效，删除中间元素比较低效要先找到节点位置，再修改前后指针。
获取元素
LinkedList提供了get、getFirst、getLast等方法获取节点元素值。
//获取指定位置的元素值
public E get(int index) {
//判断是否越界
checkElementIndex(index);
//直接调用node方法获取指定位置的节点，并反回其元素值
return node(index).item;
}
//获取链表首节点的元素值
public E getFirst() {
final Node<E> f = first;
//判断是否是空链表，如果是抛出异常，否则直接返回首节点的元素值
if (f == null)
throw new NoSuchElementException();
return f.item;
}
//获取链表尾节点的元素值
public E getLast() {
final Node<E> l = last;
//判断是否是空链表，如果是抛出异常，否则直接返回尾节点的元素值
if (l == null)
throw new NoSuchElementException();
return l.item;
}
更新指定位置节点的元素值
public E set(int index, E element) {
//判断是否越界
checkElementIndex(index);
//指定位置的节点
Node<E> x = node(index);
E oldVal = x.item;
//设置新值
x.item = element;
//返回老值
return oldVal;
}
关于队列的操作
LinkedList可以作为FIFO(First In First Out)的队列，也就是先进先出的队列使用，以下是关于队列的操作。
//获取队列的第一个元素，如果为null会返回null
public E peek() {
final Node<E> f = first;
return (f == null) ? null : f.item;
}
//获取队列的第一个元素，如果为null会抛出异常
public E element() {
return getFirst();
}
//获取队列的第一个元素，如果为null会返回null
public E poll() {
final Node<E> f = first;
return (f == null) ? null : unlinkFirst(f);
}
//获取队列的第一个元素，如果为null会抛出异常
public E remove() {
return removeFirst();
}
//将元素添加到队列尾部
public boolean offer(E e) {
return add(e);
}
关于双端队列的操作
双端列队可以作为栈使用，栈的特性是LIFO(Last In First Out)，也就是后进先出。所以作为栈使用也很简单，添加和删除元素都只操作队列的首节点即可。
//将元素添加到首
public boolean offerFirst(E e) {
addFirst(e);
return true;
}
//将元素添加到尾部
public boolean offerLast(E e) {
addLast(e);
return true;
}
//获取首部的元素值
public E peekFirst() {
final Node<E> f = first;
return (f == null) ? null : f.item;
}
//获取尾部的元素值
public E peekLast() {
final Node<E> l = last;
return (l == null) ? null : l.item;
}
//删除首部，如果为null会返回null
public E pollFirst() {
final Node<E> f = first;
return (f == null) ? null : unlinkFirst(f);
}
//删除尾部，如果为null会返回null
public E pollLast() {
final Node<E> l = last;
return (l == null) ? null : unlinkLast(l);
}
//将元素添加到首部
public void push(E e) {
addFirst(e);
}
//删除首部，如果为null会抛出异常
public E pop() {
return removeFirst();
}
//删除链表中元素值等于o的第一个节点，其实和remove方法是一样的，因为内部还是调用的remove方法
public boolean removeFirstOccurrence(Object o) {
return remove(o);
}
//删除链表中元素值等于o的最后一个节点
public boolean removeLastOccurrence(Object o) {
//因为LinkedList允许存在null，所以需要进行null判断
if (o == null) {
//和remove方法的区别它是从尾节点往前遍历
for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) {
if (x.item == null) {
//调用unlink方法删除指定节点
unlink(x);
return true;
}
}
} else {
for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) {
if (o.equals(x.item)) {
unlink(x);
return true;
}
}
}
return false;
}
其他方法
//判断元素是否存在于链表中
public boolean contains(Object o) {
return indexOf(o) != -1;
}
//从前往后查找返回节点元素值等于o的位置，不存在返回-1
public int indexOf(Object o) {
int index = 0;
if (o == null) {
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
if (x.item == null)
return index;
index++;
}
} else {
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
if (o.equals(x.item))
return index;
index++;
}
}
return -1;
}
//该方法和上面indexOf方法相反，它是从后往前查找返回节点元素值等于o的位置，不存在返回-1
public int lastIndexOf(Object o) {
int index = size;
if (o == null) {
for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) {
index--;
if (x.item == null)
return index;
}
} else {
for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) {
index--;
if (o.equals(x.item))
return index;
}
}
return -1;
}
//克隆函数，返回LinkedList的克隆对象
public Object clone() {
LinkedList<E> clone = superClone();
// 将新建LinkedList置于最初状态
clone.first = clone.last = null;
clone.size = 0;
clone.modCount = 0;
// 将链表中所有节点的数据都添加到克隆对象中
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next)
clone.add(x.item);
return clone;
}
//返回LinkedList节点单元素值的Object数组
public Object[] toArray() {
Object[] result = new Object[size];
int i = 0;
//将链表中所有节点的元素值添加到object数组中
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next)
result[i++] = x.item;
return result;
}
// 返回LinkedList的模板数组。所谓模板数组，即可以将T设为任意的数据类型
public <T> T[] toArray(T[] a) {
//如果a的长度小于LinkedList节点个数，说明a不能容纳LinkedList的所有节点元素值
//则新建一个数组，数组大小为LinkedList节点个数，并赋值给a
if (a.length < size)
a = (T[])java.lang.reflect.Array.newInstance(
a.getClass().getComponentType(), size);
int i = 0;
Object[] result = a;
// 将链表中所有节点的元素值都添加到数组a中
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next)
result[i++] = x.item;
if (a.length > size)
a[size] = null;
return a;
}
//将LinkedList中的数据写入到输入流中，先写容量，再写数据
private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s) throws java.io.IOException {
// Write out any hidden serialization magic
s.defaultWriteObject();
// Write out size
s.writeInt(size);
// Write out all elements in the proper order.
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next)
s.writeObject(x.item);
}
//从输入流中读取数据，一样是先读容量，再读数据
private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
// Read in any hidden serialization magic
s.defaultReadObject();
// Read in size
int size = s.readInt();
//从输入流中将元素值逐个添加到链表中
// Read in all elements in the proper order.
for (int i = 0; i < size; i++)
linkLast((E)s.readObject());
}
总结
- LinkedList自己实现了序列化和反序列化，因为它实现了writeObject和readObject方法。
- LinkedList是一个以双向链表实现的List。
- LinkedList还是一个双端队列，具有队列、双端队列、栈的特性。
- LinkedList在首部和尾部添加、删除元素效率高效，在中间添加、删除元素效率较低。
- LinkedList虽然实现了随机访问，但是效率低效，不建议使用。
- LinkedList是线程不安全的。
