Java集合系列[2]----LinkedList源码分析

上篇我们分析了ArrayList的底层实现，知道了ArrayList底层是基于数组实现的，因此具有查找修改快而插入删除慢的特点。本篇介绍的LinkedList是List接口的另一种实现，它的底层是基于双向链表实现的，因此它具有插入删除快而查找修改慢的特点，此外，通过对双向链表的操作还可以实现队列和栈的功能。LinkedList的底层结构如下图所示。

F表示头结点引用，L表示尾结点引用，链表的每个结点都有三个元素，分别是前继结点引用(P)，结点元素的值(E)，后继结点的引用(N)。结点由内部类Node表示，我们看看它的内部结构。

 //结点内部类
 private static class Node<E> {
     E item;          //元素
     Node<E> next;    //下一个节点
     Node<E> prev;    //上一个节点

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

Node这个内部类其实很简单，只有三个成员变量和一个构造器，item表示结点的值，next为下一个结点的引用，prev为上一个结点的引用，通过构造器传入这三个值。接下来再看看LinkedList的成员变量和构造器。

 //集合元素个数
 transient int size = 0;

 //头结点引用
 transient Node<E> first;

 //尾节点引用
 transient Node<E> last;

 //无参构造器
 public LinkedList() {}

 //传入外部集合的构造器
 public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
     this();
     addAll(c);
 }

LinkedList持有头结点的引用和尾结点的引用，它有两个构造器，一个是无参构造器，一个是传入外部集合的构造器。与ArrayList不同的是LinkedList没有指定初始大小的构造器。看看它的增删改查方法。

 //增(添加)
 public boolean add(E e) {
     //在链表尾部添加
     linkLast(e);
     return true;
 }

 //增(插入)
 public void add(int index, E element) {
     checkPositionIndex(index);
     if (index == size) {
         //在链表尾部添加
         linkLast(element);
     } else {
         //在链表中部插入
         linkBefore(element, node(index));
     }
 }

 //删(给定下标)
 public E remove(int index) {
     //检查下标是否合法
     checkElementIndex(index);
     return unlink(node(index));
 }

 //删(给定元素)
 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
         for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
             if (o.equals(x.item)) {
                 //找到了就删除
                 unlink(x);
                 return true;
             }
         }
     }
     return false;
 }

 //改
 public E set(int index, E element) {
     //检查下标是否合法
     checkElementIndex(index);
     //获取指定下标的结点引用
     Node<E> x = node(index);
     //获取指定下标结点的值
     E oldVal = x.item;
     //将结点元素设置为新的值
     x.item = element;
     //返回之前的值
     return oldVal;
 }

 //查
 public E get(int index) {
     //检查下标是否合法
     checkElementIndex(index);
     //返回指定下标的结点的值
     return node(index).item;
 }

LinkedList的添加元素的方法主要是调用linkLast和linkBefore两个方法，linkLast方法是在链表后面链接一个元素，linkBefore方法是在链表中间插入一个元素。LinkedList的删除方法通过调用unlink方法将某个元素从链表中移除。下面我们看看链表的插入和删除操作的核心代码。

 //链接到指定结点之前
 void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
     //获取给定结点的上一个结点引用
     final Node<E> pred = succ.prev;
     //创建新结点, 新结点的上一个结点引用指向给定结点的上一个结点
     //新结点的下一个结点的引用指向给定的结点
     final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
     //将给定结点的上一个结点引用指向新结点
     succ.prev = newNode;
     //如果给定结点的上一个结点为空, 表明给定结点为头结点
     if (pred == null) {
         //将头结点引用指向新结点
         first = newNode;
     } else {
         //否则, 将给定结点的上一个结点的下一个结点引用指向新结点
         pred.next = newNode;
     }
     //集合元素个数加一
     size++;
     //修改次数加一
     modCount++;
 }

 //卸载指定结点
 E unlink(Node<E> x) {
     //获取给定结点的元素
     final E element = x.item;
     //获取给定结点的下一个结点的引用
     final Node<E> next = x.next;
     //获取给定结点的上一个结点的引用
     final Node<E> prev = x.prev;

     //如果给定结点的上一个结点为空, 说明给定结点为头结点
     if (prev == null) {
         //将头结点引用指向给定结点的下一个结点
         first = next;
     } else {
         //将上一个结点的后继结点引用指向给定结点的后继结点
         prev.next = next;
         //将给定结点的上一个结点置空
         x.prev = null;
     }

     //如果给定结点的下一个结点为空, 说明给定结点为尾结点
     if (next == null) {
         //将尾结点引用指向给定结点的上一个结点
         last = prev;
     } else {
         //将下一个结点的前继结点引用指向给定结点的前继结点
         next.prev = prev;
         x.next = null;
     }

     //将给定结点的元素置空
     x.item = null;
     //集合元素个数减一
     size--;
     //修改次数加一
     modCount++;
     return element;
 }

linkBefore和unlink是具有代表性的链接结点和卸载结点的操作，其他的链接和卸载两端结点的方法与此类似，所以我们重点介绍linkBefore和unlink方法。

linkBefore方法的过程图：

unlink方法的过程图：

 

通过上面图示看到对链表的插入和删除操作的时间复杂度都是O(1)，而对链表的查找和修改操作都需要遍历链表进行元素的定位，这两个操作都是调用的node(int index)方法定位元素，看看它是怎样通过下标来定位元素的。

 //根据指定位置获取结点
 Node<E> node(int index) {
     //如果下标在链表前半部分, 就从头开始查起
     if (index < (size >> 1)) {
         Node<E> x = first;
         for (int i = 0; i < index; i++) {
             x = x.next;
         }
         return x;
     } else {
         //如果下标在链表后半部分, 就从尾开始查起
         Node<E> x = last;
         for (int i = size - 1; i > index; i--) {
             x = x.prev;
         }
         return x;
     }
 }

通过下标定位时先判断是在链表的上半部分还是下半部分，如果是在上半部分就从头开始找起，如果是下半部分就从尾开始找起，因此通过下标的查找和修改操作的时间复杂度是O(n/2)。通过对双向链表的操作还可以实现单项队列，双向队列和栈的功能。

单向队列操作：

 //获取头结点
 public E peek() {
     final Node<E> f = first;
     return (f == null) ? null : f.item;
 }

 //获取头结点
 public E element() {
     return getFirst();
 }

 //弹出头结点
 public E poll() {
     final Node<E> f = first;
     return (f == null) ? null : unlinkFirst(f);
 }

 //移除头结点
 public E remove() {
     return removeFirst();
 }

 //在队列尾部添加结点
 public boolean offer(E e) {
     return add(e);
 }

双向队列操作：

 //在头部添加
 public boolean offerFirst(E e) {
     addFirst(e);
     return true;
 }

 //在尾部添加
 public boolean offerLast(E e) {
     addLast(e);
     return true;
 }

 //获取头结点
 public E peekFirst() {
     final Node<E> f = first;
     return (f == null) ? null : f.item;
  }

 //获取尾结点
 public E peekLast() {
     final Node<E> l = last;
     return (l == null) ? null : l.item;
 }

栈操作：

 //入栈
 public void push(E e) {
     addFirst(e);
 }

 //出栈
 public E pop() {
     return removeFirst();
 }

不管是单向队列还是双向队列还是栈，其实都是对链表的头结点和尾结点进行操作，它们的实现都是基于addFirst()，addLast()，removeFirst()，removeLast()这四个方法，它们的操作和linkBefore()和unlink()类似，只不过一个是对链表两端操作，一个是对链表中间操作。可以说这四个方法都是linkBefore()和unlink()方法的特殊情况，因此不难理解它们的内部实现，在此不多做介绍。到这里，我们对LinkedList的分析也即将结束，对全文中的重点做个总结：

1. LinkedList是基于双向链表实现的，不论是增删改查方法还是队列和栈的实现，都可通过操作结点实现

2. LinkedList无需提前指定容量，因为基于链表操作，集合的容量随着元素的加入自动增加

3. LinkedList删除元素后集合占用的内存自动缩小，无需像ArrayList一样调用trimToSize()方法

4. LinkedList的所有方法没有进行同步，因此它也不是线程安全的，应该避免在多线程环境下使用

5. 以上分析基于JDK1.7，其他版本会有些出入，因此不能一概而论