深入剖析LinkedList源码

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简介

LinkedList和ArrayList数据结构是完全不一样的，ArrayList 底层是数组的结构，而 LinkedList 的底层则是链表的结构， 它可以进行高效的插入和移除的操作，它基于的是一个双向链表的结构。

LinkedList的整体结构图

从图中也能看出，LinkedList 有好多的Node，并且还有first和last这两个变量保存头部和尾部节点的信息；还有就是它不是一个循环的双向链表，因为它前后都是null，这个也是我们需要注意的地方。

继承体系

public class LinkedList<E>
    extends AbstractSequentialList<E>
    implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable
{...}
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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;
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Node节点

private static class Node<E> {
    //值
    E item;
    //后继 指向下一个的引用
    Node<E> next;
    
    //前驱 指向前一个的引用
    Node<E> prev;

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

public LinkedList() {
}

public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
    this();
    //将集合C中的所有的元素都插入到链表中
    addAll(c);
}
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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;
}
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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，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));
}
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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));
}
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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？

/**
 * 利用LinkedList来模拟栈
 * 栈的特点：先进后出
 */
public class Test {

    private LinkedList<String> linkList = new LinkedList<String>();

    // 压栈
    public void push(String str){
        linkList.addFirst(str);
    }

    // 出栈
    public String pop(){
        return linkList.removeFirst();
    }

    // 查看
    public String peek(){
        return linkList.peek();
    }

    // 判断是否为空
    public boolean isEmpty(){
        return linkList.isEmpty();
    }
}

class Test1 {
    public static void main(String[] args) {
        // 测试栈
        Test test = new Test();
        test.push("我是第1个进去的");
        test.push("我是第2个进去的");
        test.push("我是第3个进去的");
        test.push("我是第4个进去的");
        test.push("我是第5个进去的");
        // 取出
        while (!test.isEmpty()){
            String pop = test.pop();
            System.out.println(pop);
        }
        // 打印结果
        /*我是第5个进去的
        我是第4个进去的
        我是第3个进去的
        我是第2个进去的
        我是第1个进去的*/
    }
}
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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，因此不存在容量不足的问题，所以没有扩容的方法。

（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。

（7）LinkedList是非线程安全的。

（8）LinkedList能存储null值。

经典面试题

 谈谈ArrayList和LinkedList的区别。

本质的区别来源于两者的底层实现：ArrayList的底层是数组，LinkedList的底层是双向链表。

数组拥有O(1)的查询效率，可以通过下标直接定位元素；链表在查询元素的时候只能通过遍历的方式查询，效率比数组低。

数组增删元素的效率比较低，通常要伴随拷贝数组的操作；链表增删元素的效率很高，只需要调整对应位置的指针即可。

以上是数组和链表的通俗对比，在日常的使用中，两者都能很好地在自己的适用场景发挥作用。

我们常常用ArrayList代替数组，因为封装了许多易用的api，而且它内部实现了自动扩容机制，由于它内部维护了一个当前容量的指针size，直接往ArrayList中添加元素的时间复杂度是O(1)的，使用非常方便。

而LinkedList常常被用作Queue队列的实现类，由于底层是双向链表，能够轻松地提供先入先出的操作。

可以分两部分答：一个是数组与链表底层实现的不同，另一个是答ArrayList和LinkedList的实现细节。