【Java容器源码】LinkedList 源码分析

﹏ヽ暗。殇╰゛Y 2022-12-05 10:16 275阅读 0赞

先来看 LinkedList 的结构，即继承关系，核心成员变量，主要构造函数：

public class LinkedList<E>
            extends AbstractSequentialList<E>
            implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable {
        
         	
         	// Node，双向链表
            private static class Node<E> {
        
                E item;// 节点值
                Node<E> next; // 指向的下一个节点
                Node<E> prev; // 指向的前一个节点
        
                // 初始化参数顺序分别是：前一个节点、本身节点值、后一个节点
                Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
        
                    this.item = element;
                    this.next = next;
                    this.prev = prev;
                }
        	}
        	
        	//------------------------成员变量-------------------------------------
        	
        	transient int size = 0;
        	
        	// 记录头结点，它的前一个结点=null
            transient Node<E> first;
        	
        	// 记录尾结点，它的后一个结点=null
        	// 当 first = last = null时表示链表为空
        	// 当 first = last != null时表示只有一个节点
            transient Node<E> last;
            
            //--------------------------构造方法-------------------------------------
            
            public LinkedList() {
        
            }
            
             public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
        
                this();
                addAll(c);
            }
            
            // ........
        }

## 1.尾插 ##

追加节点时，我们可以选择追加到链表头部，还是追加到链表尾部，add 方法默认是从尾部开始追加，addFirst 方法是从头部开始追加，我们分别来看下两种不同的追加方式：

### **add()** ###

public boolean add(E e) {
        
                linkLast(e);
                return true;
        }

### **linkLast()** ###

尾插的核心逻辑如下：

*  newNode.pre = last
 *  last.next = newNode （注：考虑last=null情况（链表为空，这时仅更新头结点即可））
 *  last = newNode

void linkLast(E e) {
        
            // 把尾节点数据暂存，为last.next做准备，其实改变一下顺序就可以不要这个l了
            final Node<E> l = last;
            
            final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null); // 1
            last = newNode; // 2
        	
            // 空链表，l=null,l.next报空指针
            if (l == null)
                first = newNode;
            else
                l.next = newNode; // 3
            
            // size和版本更改
            size++;
            modCount++;
        }

> 注：跟 ArrayList 一样，LinkedList 也可以添加 value 为 null 的元素，并且是可以添加多个。

## 2.头插 ##

要对LinkedList头插时是调用addFirst方法

### **addFirst()** ###

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

### **linkFirst()** ###

头插核心逻辑如下：

*  newNode.next = first;
 *  first.prev = newNode; （注：考虑first=null（链表为空，只用更新last即可））
 *  first = newNode;

private void linkFirst(E e) {
        
            // 头节点赋值给临时变量
            final Node<E> f = first;
            
            final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f); // 1
        
            first = newNode;  // 2
            
            // 链表为空，f=null, f.prev报空指针
            if (f == null)
                last = newNode;
            else
                f.prev = newNode;  // 3
            
            // 更新size和版本号
            size++;
            modCount++;
        }

## 3.删除指定元素 ##

节点删除的方式和追加类似，我们可以删除指定元素，或者从头部（尾部）删除，删除操作会把节点的值，前后指向节点都置为 null，帮助 GC 进行回收

### **remove()** ###

删除指定元素；该方法在此处的作用是找到要删除的节点。注意，只有链表有这个节点且成功删除才返回true

public boolean remove(Object o) {
         
                if (o == null) {
        
                    for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
        
                        // null用 == 判断
                        if (x.item == null) {
        
                            unlink(x);
                            return true;
                        }
                    }
                } else {
        
                    for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
        
                        // 调用equals判断，若传入的类无equals需要重写
                        if (o.equals(x.item)) {
        
                            unlink(x);
                            return true;
                        }
                    }
                }
                return false;  // 链表无要删除元素，或链表为空
        }

注：remove还可以根据索引删除

public E remove(int index) {
         
                checkElementIndex(index); // 链表为空，抛出异常
                return unlink(node(index)); // 查到index对应的Node并删除
        }

### **unlink()** ###

删除的核心逻辑如下：

*  x.prev.next = x.next （注：考虑x.prev=null(x是first，直接更新first））
 *  x.next.prev = x.prev.prev （注：考虑x.next=null(x是last，直接更新last））

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;
        		
             	// 如果prev=null,则当前节点为头结点
                if (prev == null) {
        
                    // 直接将头结点赋成next
                    first = next;
                } else {
        
                    prev.next = next; // 1
                    x.prev = null; // 帮助 GC 回收该节点
                }
        		
             	// 如果next=null，则当前节点为尾结点
                if (next == null) {
        
                    last = prev;
                } else {
        
                    next.prev = prev; // 2
                    x.next = null; // 帮助 GC 回收该节点
                }
        		
                x.item = null; // 帮助 GC 回收该节点
             
             	// 修改size及版本
                size--;
                modCount++;
             
                return element;
            }

## 4.删除头节点 ##

### **remove()** ###

删除头节点，队列为空时抛出异常。这里注意，与删除指定元素时需要传入一个参数，而删除头节点时为空参。

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

### **removeFirst()** ###

判断当前链表时否为空

public E removeFirst() {
        
                final Node<E> f = first;
                if (f == null)
                    throw new NoSuchElementException();
                return unlinkFirst(f);
         }

### **unLinkFirst()** ###

执行删除头节点，具体删除逻辑如下

*  first.next.pre = null;（注：考虑first=null（链表为空）， first.next=null（尾结点，即链表仅一个节点））
 *  first = first.next;

private E unlinkFirst(Node<E> f) {
        
            
            final E element = f.item; // 拿出头节点的值，作为方法的返回值
            final Node<E> next = f.next; // 拿出头节点的下一个节点
            
            //帮助 GC 回收头节点
            f.item = null;
            f.next = null;
            
            first = next;  // 1
            
            // next为空表示链表只有一个节点
            if (next == null)
                last = null;
            else
                next.prev = null; // 2
            
            //修改链表大小和版本
            size--;
            modCount++;
            return element;
        }

从源码中我们可以了解到，链表结构的节点新增、删除都非常简单，仅仅把前后节点的指向修改下就好了，所以 LinkedList 新增和删除速度很快。

## 5.查询 ##

链表查询某一个节点是比较慢的，需要挨个循环查找才行，我们看看 LinkedList 的源码是如何寻找节点的

### **get()** ###

根据索引进行查找

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

### **node()** ###

Node<E> node(int index) {
        
            // 如果 index 处于队列的前半部分，从头开始找，size >> 1 是 size 除以 2 的意思。
            if (index < (size >> 1)) {
        
                // 取头节点
                Node<E> x = first;
                // 直到 for 循环到 index 的前一个 node 停止
                for (int i = 0; i < index; i++)
                    x = x.next;
                return x;
            } else {
        // 如果 index 处于队列的后半部分，从尾开始找
                // 取尾结点
                Node<E> x = last;
                // 直到 for 循环到 index 的后一个 node 停止
                for (int i = size - 1; i > index; i--)
                    x = x.prev;
                return x;
            }
        }

从源码中我们可以发现，LinkedList 并没有采用从头循环到尾的做法，而是采取了简单二分法，首先看看 index 是在链表的前半部分，还是后半部分。如果是前半部分，就从头开始寻找，反之亦然。通过这种方式，使循环的次数至少降低了一半，提高了查找的性能，这种思想值得我们借鉴

## 6.迭代器 ##

因为 LinkedList 要实现双向的迭代访问，所以使用 Iterator 接口肯定不行了，因为 Iterator 只支持从头到尾的访问。Java 新增了一个迭代接口，叫做：ListIterator，这个接口提供了向前和向后的迭代方法，如下所示：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>迭代顺序</th> 
   <th>方法</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>从尾到头迭代方法</td> 
   <td>hasPrevious、previous、previousIndex</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>从头到尾迭代方法</td> 
   <td>hasNext、next、nextIndex</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

**listIterator()**

返回迭代器，可以传入index，表示从指定节点开始迭代，可前可后

public ListIterator<E> listIterator(int index) {
        
            checkPositionIndex(index);
            return new ListItr(index);
        }
    
        /**
        *ListItr,双向迭代器
        */
        private class ListItr implements ListIterator<E> {
        
            private Node<E> lastReturned;// 上一次执行 next() 或者 previos() 方法时的节点位置
            private Node<E> next;// 下一个节点
            private int nextIndex;// 下一个节点的位置
            // expectedModCount：期望版本号；modCount：目前最新版本号
            private int expectedModCount = modCount;
            
            ListItr(int index) {
        
                  // assert isPositionIndex(index);
                  next = (index == size) ? null : node(index);
                  nextIndex = index;
            }
        }

### 从前向后迭代 ###

**hasNext()**

判断还有没有下一个元素，还是通过index和size控制

public boolean hasNext() {
        
            return nextIndex < size;// 下一个节点的索引小于链表的大小，就有
        }

**next()**

取下一个元素，并后移

public E next() {
        
            // 检查期望版本号有无发生变化
            checkForComodification();
            if (!hasNext())//再次检查
                throw new NoSuchElementException();
            // next 是当前节点，在上一次执行 next() 方法时被赋值的。
            // 第一次执行时，是在初始化迭代器的时候，next 被赋值的
            lastReturned = next;
            // next 是下一个节点了，为下次迭代做准备
            next = next.next;
            nextIndex++;
            return lastReturned.item;
        }

### 从后向前迭代 ###

**hasPrevious()**

如果上次节点索引位置大于 0，就还有节点可以迭代

public boolean hasPrevious() {
        
            return nextIndex > 0;
        }

**previous()**

public E previous() {
        
            checkForComodification();
            if (!hasPrevious())
                throw new NoSuchElementException();
            // next 为空场景：1:说明是第一次迭代，取尾节点(last);2:上一次操作把尾节点删除掉了
            // next 不为空场景：说明已经发生过迭代了，直接取前一个节点即可(next.prev)
            lastReturned = next = (next == null) ? last : next.prev;
            // 索引位置变化
            nextIndex--;
            return lastReturned.item;
        }

### 删除：remove ###

迭代时，删除当前元素

public void remove() {
        
            checkForComodification();
            // lastReturned 是本次迭代需要删除的值，分以下空和非空两种情况：
            // lastReturned 为空，说明调用者没有主动执行过 next() 或者 previos()，直接报错
            // lastReturned 不为空，是在上次执行 next() 或者 previos()方法时赋的值
            if (lastReturned == null)
                throw new IllegalStateException();
            Node<E> lastNext = lastReturned.next;
            // 删除 lastReturned 结点（刚遍历返回的结点）
            unlink(lastReturned);
            
            // next == lastReturned 的场景分析：从尾到头递归顺序，并且是第一次迭代，并且要删除最后一个元素的情况
            // 这种情况下，previous()方法里面设置了 lastReturned=next=last,所以 next 和 lastReturned 会相等
            if (next == lastReturned)
                // 这时候 lastReturned 是尾节点，lastNext 是 null，所以 next 也是 null，	
                // 这样在 previous() 执行时，发现 next 是 null，就会把尾节点赋值给 next
                next = lastNext;
            else
                nextIndex--;
                
            lastReturned = null;
            expectedModCount++;
        }

## 7.Queue的实现 ##

LinkedList 实现了 Queue 接口，在新增、删除、查询等方面增加了很多新的方法，这些方法在平时特别容易混淆，在链表为空的情况下，返回值也不太一样，下面列一个表格，方便大家记录：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th></th> 
   <th>返回异常</th> 
   <th>返回特殊值</th> 
   <th>底层实现</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>新增</td> 
   <td>add()</td> 
   <td>offer()</td> 
   <td>底层实现相同，offer直接调用add</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>删除</td> 
   <td>remove()</td> 
   <td>poll()</td> 
   <td>链表为空时，remove 会抛出异常，poll 返回 null</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>查找</td> 
   <td>element()</td> 
   <td>peek()</td> 
   <td>链表为空时，element 会抛出异常，peek 返回 null</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

PS：Queue 接口注释建议 add 方法操作失败时抛出异常，但 LinkedList 实现的 add 方法一直返回 true。

LinkedList 也实现了 Deque 接口，对新增、删除和查找都提供从头开始，还是从尾开始两种方向的方法，比如 remove 方法，Deque 提供了 removeFirst 和 removeLast 两种方向的使用方式，但当链表为空时的表现都和 remove 方法一样，都会抛出异常。