这都2024年了 你还要多久才能领悟 LinkedList 源码
这都2024年了 你还要多久才能领悟 LinkedList 源码
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LinkedList 简介
LinkedList 是一个基于双向链表实现的集合类，经常被拿来和 ArrayList 做比较。关于 LinkedList 和ArrayList的详细对比，我们 Java 集合常见面试题总结(上)有详细介绍到。
不过，我们在项目中一般是不会使用到 LinkedList 的，需要用到 LinkedList 的场景几乎都可以使用 ArrayList 来代替，并且，性能通常会更好！就连 LinkedList 的作者约书亚 · 布洛克（Josh Bloch）自己都说从来不会使用 LinkedList 。
另外，不要下意识地认为 LinkedList 作为链表就最适合元素增删的场景。我在上面也说了，LinkedList 仅仅在头尾插入或者删除元素的时候时间复杂度近似 O(1)，其他情况增删元素的平均时间复杂度都是 O(n) 。
LinkedList 插入和删除元素的时间复杂度？
- 头部插入/删除：只需要修改头结点的指针即可完成插入/删除操作，因此时间复杂度为 O(1)。
- 尾部插入/删除：只需要修改尾结点的指针即可完成插入/删除操作，因此时间复杂度为 O(1)。
- 指定位置插入/删除：需要先移动到指定位置，再修改指定节点的指针完成插入/删除，因此需要移动平均 n/2 个元素，时间复杂度为 O(n)。
LinkedList 为什么不能实现 RandomAccess 接口？
RandomAccess 是一个标记接口，用来表明实现该接口的类支持随机访问（即可以通过索引快速访问元素）。由于 LinkedList 底层数据结构是链表，内存地址不连续，只能通过指针来定位，不支持随机快速访问，所以不能实现 RandomAccess 接口。
LinkedList 源码分析
这里以 JDK1.8 为例，分析一下 LinkedList 的底层核心源码。
LinkedList 的类定义如下：
public class LinkedList<E>
extends AbstractSequentialList<E>
implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable
{
//...
}
LinkedList 继承了 AbstractSequentialList ，而 AbstractSequentialList 又继承于 AbstractList 。
阅读过 ArrayList 的源码我们就知道，ArrayList 同样继承了 AbstractList ， 所以 LinkedList 会有大部分方法和 ArrayList 相似。
LinkedList 实现了以下接口：
List: 表明它是一个列表，支持添加、删除、查找等操作，并且可以通过下标进行访问。Deque：继承自Queue接口，具有双端队列的特性，支持从两端插入和删除元素，方便实现栈和队列等数据结构。需要注意，Deque的发音为 “deck” [dɛk]，这个大部分人都会读错。Cloneable：表明它具有拷贝能力，可以进行深拷贝或浅拷贝操作。Serializable: 表明它可以进行序列化操作，也就是可以将对象转换为字节流进行持久化存储或网络传输，非常方便。
LinkedList 中的元素是通过 Node 定义的：
private static class Node<E> {
E item;// 节点值
Node<E> next; // 指向的下一个节点（后继节点）
Node<E> prev; // 指向的前一个节点（前驱结点）
// 初始化参数顺序分别是：前驱结点、本身节点值、后继节点
Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
this.item = element;
this.next = next;
this.prev = prev;
}
}
初始化
LinkedList 中有一个无参构造函数和一个有参构造函数。
// 创建一个空的链表对象
public LinkedList() {
}
// 接收一个集合类型作为参数，会创建一个与传入集合相同元素的链表对象
public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
this();
addAll(c);
}
插入元素
LinkedList 除了实现了 List 接口相关方法，还实现了 Deque 接口的很多方法，所以我们有很多种方式插入元素。
我们这里以 List 接口中相关的插入方法为例进行源码讲解，对应的是add() 方法。
add() 方法有两个版本：
add(E e)：用于在LinkedList的尾部插入元素，即将新元素作为链表的最后一个元素，时间复杂度为 O(1)。add(int index, E element):用于在指定位置插入元素。这种插入方式需要先移动到指定位置，再修改指定节点的指针完成插入/删除，因此需要移动平均 n/2 个元素，时间复杂度为 O(n)。
// 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) {
// 下标越界检查
checkPositionIndex(index);
// 判断 index 是不是链表尾部位置
if (index == size)
// 如果是就直接调用 linkLast 方法将元素节点插入链表尾部即可
linkLast(element);
else
// 如果不是则调用 linkBefore 方法将其插入指定元素之前
linkBefore(element, node(index));
}
// 将元素节点插入到链表尾部
void linkLast(E e) {
// 将最后一个元素赋值（引用传递）给节点 l
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
// 如果 l 是null 意味着这是第一次添加元素
if (l == null)
// 如果是第一次添加，将first赋值为新节点，此时链表只有一个元素
first = newNode;
else
// 如果不是第一次添加，将新节点赋值给l（添加前的最后一个元素）的next
l.next = newNode;
size++;
modCount++;
}
// 在指定元素之前插入元素
void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
// assert succ != null;断言 succ不为 null
// 定义一个节点元素保存 succ 的 prev 引用，也就是它的前一节点信息
final Node<E> pred = succ.prev;
// 初始化节点，并指明前驱和后继节点
final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
// 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
// succ 节点前驱的后继引用指向新节点
pred.next = newNode;
size++;
modCount++;
}
获取元素
LinkedList获取元素相关的方法一共有 3 个：
getFirst()：获取链表的第一个元素。getLast()：获取链表的最后一个元素。get(int index)：获取链表指定位置的元素。
// 获取链表的第一个元素
public E getFirst() {
final Node<E> f = first;
if (f == null)
throw new NoSuchElementException();
return f.item;
}
// 获取链表的最后一个元素
public E getLast() {
final Node<E> l = last;
if (l == null)
throw new NoSuchElementException();
return l.item;
}
// 获取链表指定位置的元素
public E get(int index) {
// 下标越界检查，如果越界就抛异常
checkElementIndex(index);
// 返回链表中对应下标的元素
return node(index).item;
}
这里的核心在于 node(int index) 这个方法：
// 返回指定下标的非空节点
Node<E> node(int index) {
// 断言下标未越界
// assert isElementIndex(index);
// 如果index小于size的二分之一 从前开始查找（向后查找） 反之向前查找
if (index < (size >> 1)) {
Node<E> x = first;
// 遍历，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;
}
}
get(int index) 或 remove(int index) 等方法内部都调用了该方法来获取对应的节点。
从这个方法的源码可以看出，该方法通过比较索引值与链表 size 的一半大小来确定从链表头还是尾开始遍历。如果索引值小于 size 的一半，就从链表头开始遍历，反之从链表尾开始遍历。这样可以在较短的时间内找到目标节点，充分利用了双向链表的特性来提高效率。
删除元素
LinkedList删除元素相关的方法一共有 5 个：
removeFirst()：删除并返回链表的第一个元素。removeLast()：删除并返回链表的最后一个元素。remove(E e)：删除链表中首次出现的指定元素，如果不存在该元素则返回 false。remove(int index)：删除指定索引处的元素，并返回该元素的值。void clear()：移除此链表中的所有元素。
// 删除并返回链表的第一个元素
public E removeFirst() {
final Node<E> f = first;
if (f == null)
throw new NoSuchElementException();
return unlinkFirst(f);
}
// 删除并返回链表的最后一个元素
public E removeLast() {
final Node<E> l = last;
if (l == null)
throw new NoSuchElementException();
return unlinkLast(l);
}
// 删除链表中首次出现的指定元素，如果不存在该元素则返回 fals
public boolean remove(Object o) {
// 如果指定元素为 null，遍历链表找到第一个为 null 的元素进行删除
if (o == null) {
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
if (x.item == null) {
unlink(x);
return true;
}
}
} else {
// 如果不为 null ,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);
return true;
}
}
}
return false;
}
// 删除链表指定位置的元素
public E remove(int index) {
// 下标越界检查，如果越界就抛异常
checkElementIndex(index);
return unlink(node(index));
}
这里的核心在于 unlink(Node<E> x) 这个方法：
E unlink(Node<E> x) {
// 断言 x 不为 null
// assert x != null;
// 获取当前节点（也就是待删除节点）的元素
final E element = x.item;
// 获取当前节点的下一个节点
final Node<E> next = x.next;
// 获取当前节点的前一个节点
final Node<E> prev = x.prev;
// 如果前一个节点为空，则说明当前节点是头节点
if (prev == null) {
// 直接让链表头指向当前节点的下一个节点
first = next;
} else { // 如果前一个节点不为空
// 将前一个节点的 next 指针指向当前节点的下一个节点
prev.next = next;
// 将当前节点的 prev 指针置为 null，，方便 GC 回收
x.prev = null;
}
// 如果下一个节点为空，则说明当前节点是尾节点
if (next == null) {
// 直接让链表尾指向当前节点的前一个节点
last = prev;
} else { // 如果下一个节点不为空
// 将下一个节点的 prev 指针指向当前节点的前一个节点
next.prev = prev;
// 将当前节点的 next 指针置为 null，方便 GC 回收
x.next = null;
}
// 将当前节点元素置为 null，方便 GC 回收
x.item = null;
size--;
modCount++;
return element;
}
unlink() 方法的逻辑如下：
- 首先获取待删除节点 x 的前驱和后继节点；
- 判断待删除节点是否为头节点或尾节点：
- 如果 x 是头节点，则将 first 指向 x 的后继节点 next
- 如果 x 是尾节点，则将 last 指向 x 的前驱节点 prev
- 如果 x 不是头节点也不是尾节点，执行下一步操作
- 将待删除节点 x 的前驱的后继指向待删除节点的后继 next，断开 x 和 x.prev 之间的链接；
- 将待删除节点 x 的后继的前驱指向待删除节点的前驱 prev，断开 x 和 x.next 之间的链接；
- 将待删除节点 x 的元素置空，修改链表长度。
可以参考下图理解（图源：LinkedList 源码分析(JDK 1.8)）：
遍历链表
推荐使用for-each 循环来遍历 LinkedList 中的元素， for-each 循环最终会转换成迭代器形式。
LinkedList<String> list = new LinkedList<>();
list.add("apple");
list.add("banana");
list.add("pear");
for (String fruit : list) {
System.out.println(fruit);
}
LinkedList 的遍历的核心就是它的迭代器的实现。
// 双向迭代器
private class ListItr implements ListIterator<E> {
// 表示上一次调用 next() 或 previous() 方法时经过的节点；
private Node<E> lastReturned;
// 表示下一个要遍历的节点；
private Node<E> next;
// 表示下一个要遍历的节点的下标，也就是当前节点的后继节点的下标；
private int nextIndex;
// 表示当前遍历期望的修改计数值，用于和 LinkedList 的 modCount 比较，判断链表是否被其他线程修改过。
private int expectedModCount = modCount;
…………
}
下面我们对迭代器 ListItr 中的核心方法进行详细介绍。
我们先来看下从头到尾方向的迭代：
// 判断还有没有下一个节点
public boolean hasNext() {
// 判断下一个节点的下标是否小于链表的大小，如果是则表示还有下一个元素可以遍历
return nextIndex < size;
}
// 获取下一个节点
public E next() {
// 检查在迭代过程中链表是否被修改过
checkForComodification();
// 判断是否还有下一个节点可以遍历，如果没有则抛出 NoSuchElementException 异常
if (!hasNext())
throw new NoSuchElementException();
// 将 lastReturned 指向当前节点
lastReturned = next;
// 将 next 指向下一个节点
next = next.next;
nextIndex++;
return lastReturned.item;
}
再来看一下从尾到头方向的迭代：
// 判断是否还有前一个节点
public boolean hasPrevious() {
return nextIndex > 0;
}
// 获取前一个节点
public E previous() {
// 检查是否在迭代过程中链表被修改
checkForComodification();
// 如果没有前一个节点，则抛出异常
if (!hasPrevious())
throw new NoSuchElementException();
// 将 lastReturned 和 next 指针指向上一个节点
lastReturned = next = (next == null) ? last : next.prev;
nextIndex--;
return lastReturned.item;
}
如果需要删除或插入元素，也可以使用迭代器进行操作。
LinkedList<String> list = new LinkedList<>();
list.add("apple");
list.add(null);
list.add("banana");
// Collection 接口的 removeIf 方法底层依然是基于迭代器
list.removeIf(Objects::isNull);
for (String fruit : list) {
System.out.println(fruit);
}
迭代器对应的移除元素的方法如下：
// 从列表中删除上次被返回的元素
public void remove() {
// 检查是否在迭代过程中链表被修改
checkForComodification();
// 如果上次返回的节点为空，则抛出异常
if (lastReturned == null)
throw new IllegalStateException();
// 获取当前节点的下一个节点
Node<E> lastNext = lastReturned.next;
// 从链表中删除上次返回的节点
unlink(lastReturned);
// 修改指针
if (next == lastReturned)
next = lastNext;
else
nextIndex--;
// 将上次返回的节点引用置为 null，方便 GC 回收
lastReturned = null;
expectedModCount++;
}
LinkedList 常用方法测试
代码：
// 创建 LinkedList 对象
LinkedList<String> list = new LinkedList<>();
// 添加元素到链表末尾
list.add("apple");
list.add("banana");
list.add("pear");
System.out.println("链表内容：" + list);
// 在指定位置插入元素
list.add(1, "orange");
System.out.println("链表内容：" + list);
// 获取指定位置的元素
String fruit = list.get(2);
System.out.println("索引为 2 的元素：" + fruit);
// 修改指定位置的元素
list.set(3, "grape");
System.out.println("链表内容：" + list);
// 删除指定位置的元素
list.remove(0);
System.out.println("链表内容：" + list);
// 删除第一个出现的指定元素
list.remove("banana");
System.out.println("链表内容：" + list);
// 获取链表的长度
int size = list.size();
System.out.println("链表长度：" + size);
// 清空链表
list.clear();
System.out.println("清空后的链表：" + list);
输出：
索引为 2 的元素：banana
链表内容：[apple, orange, banana, grape]
链表内容：[orange, banana, grape]
链表内容：[orange, grape]
链表长度：2
清空后的链表：[]
