Java底层类和源码分析系列-LinkedList底层架构和源码分析

几个要点

LinkedList的底层数据结构是双向链表；
LinkedList继承于AbstractSequentialList的双向链表，实现List接口，因此也可以对其进行队列操作，它也实现了Deque接口，所以LinkedList也可当做双端队列使用；
LinkedList是非同步的；
和 ArrayList 一样，LinkedList 也支持空值和重复值；
LinkedList 存储元素的节点需要额外的空间存储前驱和后继的引用；
LinkedList 在链表头部和尾部插入效率比较高，但在指定位置进行插入时，效率一般；
LinkedList 的顺序读取效率很低，需要从链表头结点（或尾节点）向后查找，时间复杂度为 O(N)；
LinkedList 实现 List 接口，能对它进行队列操作。
LinkedList 实现 Deque 接口，即能将LinkedList当作双端队列使用。
LinkedList 实现了Cloneable接口，即覆盖了函数clone()，能克隆。
LinkedList 实现java.io.Serializable接口，这意味着LinkedList支持序列化，能通过序列化去传输。

常用方法

LinkedList<String> dataList = new LinkedList<>(); // 创建 LinkedList
dataList.add("test"); // 添加数据
dataList.add(1, "test1"); // 指定位置，添加数据
dataList.addFirst("first"); // 添加数据到头部
dataList.addLast("last"); // 添加数据到尾部
dataList.get(0); // 获取指定位置数据
dataList.getFirst(); // 获取头部数据
dataList.getLast(); // 获取尾部数据
dataList.remove(1); // 移除指定位置的数据
dataList.removeFirst(); // 移除头部数据
dataList.removeLast(); // 移除尾部数据
dataList.clear(); // 清空数据

定义

public class LinkedList<E>
    extends AbstractSequentialList<E>
    implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable    

核心数据结构

    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;
        }
    }

成员属性

transient int size = 0;

transient Node<E> first;

transient Node<E> last;

构造方法

　　public LinkedList() {
    }

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

 

add

/** 在链表尾部插入元素 */
public boolean add(E e) {
    linkLast(e);
    return true;
}

/** 在链表指定位置插入元素 */
public void add(int index, E element) {
    checkPositionIndex(index);

    // 判断 index 是不是链表尾部位置，如果是，直接将元素节点插入链表尾部即可
    if (index == size)
        linkLast(element);
    else
        linkBefore(element, node(index));
}

/** 将元素节点插入到链表尾部 */
void linkLast(E e) {
    final Node<E> l = last;
    // 创建节点，并指定节点前驱为链表尾节点 last，后继引用为空
    final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
    // 将 last 引用指向新节点
    last = newNode;
    // 判断尾节点是否为空，为空表示当前链表还没有节点
    if (l == null)
        first = newNode;
    else
        l.next = newNode;    // 让原尾节点后继引用 next 指向新的尾节点
    size++;
    modCount++;
}

/** 将元素节点插入到 succ 之前的位置 */
void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
    // assert succ != null;
    final Node<E> pred = succ.prev;
    // 1. 初始化节点，并指明前驱和后继节点
    final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
    // 2. 将 succ 节点前驱引用 prev 指向新节点
    succ.prev = newNode;
    // 判断尾节点是否为空，为空表示当前链表还没有节点    
    if (pred == null)
        first = newNode;
    else
        pred.next = newNode;   // 3. succ 节点前驱的后继引用指向新节点
    size++;
    modCount++;
}

public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
        // 检查index是否越界
        checkPositionIndex(index);

        Object[] a = c.toArray();
        int numNew = a.length;
        // 如果插入集合无数据，则直接返回
        if (numNew == 0)
            return false;

        // succ的前驱节点
        Node<E> pred, succ;
        // 如果index与size相同
        if (index == size) {
            // succ的前驱节点直接赋值为最后节点
            // succ赋值为null，因为index在链表最后
            succ = null;
            pred = last;
        } else {
            // 取出index上的节点
            succ = node(index);
            pred = succ.prev;
        }
        // 遍历插入集合
        for (Object o : a) {
            @SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) o;
            // 创建新节点 前驱节点为succ的前驱节点，后续节点为null
            Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, null);
            // succ的前驱节点为空，则表示succ为头，则重新赋值第一个结点
            if (pred == null)
                first = newNode;
            else
                // 构建双向链表
                pred.next = newNode;
            // 将前驱节点移动到新节点上，继续循环
            pred = newNode;
        }

        // index位置上为空 赋值last节点为pred，因为通过上述的循环pred已经走到最后了
        if (succ == null) {
            last = pred;
        } else {
            // 构建双向链表
            // 从这里可以看出插入集合是在succ[index位置上的节点]之前
            pred.next = succ;
            succ.prev = pred;
        }
        // 元素总数更新
        size += numNew;
        // 修改次数自增
        modCount++;
        return true;
    }

remove

public boolean remove(Object o) {
    if (o == null) {
        for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
            if (x.item == null) {
                unlink(x);
                return true;
            }
        }
    } else {
        // 遍历链表，找到要删除的节点
        for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
            if (o.equals(x.item)) {
                unlink(x);    // 将节点从链表中移除
                return true;
            }
        }
    }
    return false;
}

public E remove(int index) {
    checkElementIndex(index);
    // 通过 node 方法定位节点，并调用 unlink 将节点从链表中移除
    return unlink(node(index));
}

/** 将某个节点从链表中移除 */
E unlink(Node<E> x) {
    // assert x != null;
    final E element = x.item;
    final Node<E> next = x.next;
    final Node<E> prev = x.prev;
    
    // prev 为空，表明删除的是头节点
    if (prev == null) {
        first = next;
    } else {
        // 将 x 的前驱的后继指向 x 的后继
        prev.next = next;
        // 将 x 的前驱引用置空，断开与前驱的链接
        x.prev = null;
    }

    // next 为空，表明删除的是尾节点
    if (next == null) {
        last = prev;
    } else {
        // 将 x 的后继的前驱指向 x 的前驱
        next.prev = prev;
        // 将 x 的后继引用置空，断开与后继的链接
        x.next = null;
    }

    // 将 item 置空，方便 GC 回收
    x.item = null;
    size--;
    modCount++;
    return element;
}

unlink 方法的逻辑如下（假设删除的节点既不是头节点，也不是尾节点）：

将待删除节点 x 的前驱的后继指向 x 的后继
将待删除节点 x 的前驱引用置空，断开与前驱的链接
将待删除节点 x 的后继的前驱指向 x 的前驱
将待删除节点 x 的后继引用置空，断开与后继的链接

get

public E get(int index) {
    checkElementIndex(index);
    return node(index).item;
}

Node<E> node(int index) {
    /*
     * 则从头节点开始查找，否则从尾节点查找
     * 查找位置 index 如果小于节点数量的一半，
     */    
    if (index < (size >> 1)) {
        Node<E> x = first;
        // 循环向后查找，直至 i == index
        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;
    }
}

比较 index 与节点数量 size/2 的大小，决定从头结点还是尾节点进行查找，这样可以将时间复杂度降为 O(N/2)

peek\poll\push\pop的区别

还具有堆栈的方法。

//仅仅取首数据
    public E peek() {
        final Node<E> f = first;
        return (f == null) ? null : f.item;
    }

//取首数据，还要删除
        public E poll() {
        final Node<E> f = first;
        return (f == null) ? null : unlinkFirst(f);
    }

//存入栈首
    public void push(E e) {
        addFirst(e);
    }
    public boolean offer(E e) {
        return add(e);
    }
//和poll一样
    public E pop() {
        return removeFirst();
    }