Linkedlist源码详解

介绍

LinkedList同时实现了List接口和Deque接口，也就是说它既可以看作一个顺序容器，又可以看作一个队列(Queue)，同时又可以看作一个栈(Stack)。这样看来，LinkedList简直就是个全能冠军。当你需要使用栈或者队列时，可以考虑使用LinkedList，一方面是因为Java官方已经声明不建议使用Stack类，更遗憾的是，Java里根本没有一个叫做Queue的类(它是个接口名字，无法直接创建)。关于栈或队列，现在的首选是ArrayDeque，它有着比LinkedList(当作栈或队列使用时)有着更好的性能。

对于频繁的插入或删除元素的操作，建议使用LinkedList类，效率较高；底层使用双向链表存储

//存储链表的第一个节点
transient Node<E> first;

//存储链表的最后一个节点
transient Node<E> last;

LinkedList的实现方式决定了所有跟下标相关的操作都是线性时间，而在首段或者末尾删除元素只需要常数时间。为追求效率LinkedList没有实现同步(synchronized)，如果需要多个线程并发访问，可以先采用Collections.synchronizedList()方法对其进行包装。

底层实现

底层数据结构

LinkedList底层通过双向链表实现。双向链表的每个节点用内部类Node表示。LinkedList通过first和last引用分别指向链表的第一个和最后一个元素。注意这里没有所谓的哑元（也就是没有虚拟变量），当链表为空的时候first和last都指向null。

transient int size = 0;

/**
 * Pointer to first node.
 * Invariant: (first == null && last == null) ||
 *            (first.prev == null && first.item != null)
 */
transient Node <E> first;

/**
 * Pointer to last node.
 * Invariant: (first == null && last == null) ||
 *            (last.next == null && last.item != null)
 */
transient Node <E> last;

其中Node是私有的内部类:

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;
    }
}

构造函数

 /**
  * Constructs an empty list.
  */
 public LinkedList() {}

 /**
  * Constructs a list containing the elements of the specified
  * collection, in the order they are returned by the collection's
  * iterator.
  *
  * @param  c the collection whose elements are to be placed into this list
  * @throws NullPointerException if the specified collection is null
  */
 public LinkedList(Collection <? extends E> c) {
     this();
     addAll(c);
 }

getFirst(), getLast()

获取第一个元素， 和获取最后一个元素:

/**
 * Returns the first element in this list.
 *
 * @return the first element in this list
 * @throws NoSuchElementException if this list is empty
 */
public E getFirst() {
    final Node <E> f = first;
    if (f == null)
        throw new NoSuchElementException();
    return f.item;
}

/**
 * Returns the last element in this list.
 *
 * @return the last element in this list
 * @throws NoSuchElementException if this list is empty
 */
public E getLast() {
    final Node <E> l = last;
    if (l == null)
        throw new NoSuchElementException();
    return l.item;
}

get方法

get方法是根据索引获取元素的

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

//找到具体索引位置的  Node
Node <E> node(int index) {
    // assert isElementIndex(index);

    //类似二分法，size >> 1 即元素数量的一半
    if (index < (size >> 1)) { //索引小于一半，就从头开始找
        Node <E> x = first;
        for (int i = 0; i < index; i++)
            x = x.next;
        return x;
    } else { //否则就从尾部开始找
        Node <E> x = last;
        for (int i = size - 1; i > index; i--)
            x = x.prev;
        return x;
    }
}

removeFirst(), removeLast(), remove(e), remove(index)

remove()方法也有两个版本

• 删除跟指定元素相等的第一个元素remove(Object o)

• 删除指定下标处的元素remove(int index)

删除元素：指的是删除第一次出现的这个元素, 如果没有这个元素，则返回false；判断的依据是equals方法， 如果equals，则直接unlink这个node；

由于LinkedList可存放null元素，故也可以删除第一次出现null的元素；

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 {
        for (Node <E> x = first; x != null; x = x.next) {
            if (o.equals(x.item)) {
                unlink(x);
                return true;
            }
        }
    }
    return false;
}

/**
 * Unlinks non-null node x.
 */
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;

    if (prev == null) { // 第一个元素
        first = next;
    } else {
        prev.next = next;
        x.prev = null;
    }

    if (next == null) { // 最后一个元素
        last = prev;
    } else {
        next.prev = prev;
        x.next = null;
    }

    x.item = null; // GC
    size--;
    modCount++;
    return element;
}

linklist是有序的，可重复存储数据的，并且可以存储null值，但remove方法在找到需要删除的元素时，就return了，因此只能删除找到的第一个元素

LinkedList<String> list = new LinkedList();
list.add("1");
list.add(null);
list.add(null);
list.add("1");
System.out.println(list);
list.remove(null);
list.remove("1");
System.out.println(list);
//输出：
[1, null, null, 1]
[null, 1]

add方法

add()方法有两个版本：

• add(E e)，该方法在LinkedList的末尾插入元素，因为有last指向链表末尾，在末尾插入元素的花费是常数时间。只需要简单修改几个相关引用即可；

• add(int index, E element)，该方法是在指定下表处插入元素，需要先通过线性查找找到具体位置，然后修改相关引用完成插入操作。

public boolean add(E e) {
    linkLast(e);//默认add方法是在尾部插入元素
    return true;
}

void linkLast(E e) {
    final Node<E> l = last;//旧的尾部元素
    final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
    last = newNode;//尾部元素为 newNode
    if (l == null)//说明集合中没有元素
        first = newNode;
    else
        l.next = newNode;//旧的尾部元素  指向 newNode，即添加newNode
    size++;
    modCount++;
}

//同理。链表头部添加元素
 private void linkFirst(E e) {
    final Node<E> f = first;
    final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
    first = newNode;
    if (f == null)
        last = newNode;
    else
        f.prev = newNode;
    size++;
    modCount++;
}

add(int index, E element)，当index==size时，等同于add(E e); 如果不是，则分两步:

1. 先根据index找到要插入的位置,即node(index)方法；
2. 修改引用，完成插入操作。

public void add(int index, E element) {
    checkPositionIndex(index);

    if (index == size)
        linkLast(element);
    else
        linkBefore(element, node(index));
}

上面代码中的node(int index)函数有一点小小的trick，因为链表双向的，可以从开始往后找，也可以从结尾往前找，具体朝那个方向找取决于条件index < (size >> 1)，也即是index是靠近前端还是后端。从这里也可以看出，linkedList通过index查询元素的效率没有arrayList高。

Node <E> node(int index) {
    // assert isElementIndex(index);

    if (index < (size >> 1)) {
        Node <E> x = first;
        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;
    }
}

addAll()

addAll(index, c) 实现方式并不是直接调用add(index,e)来实现，主要是因为效率的问题，另一个是fail-fast中modCount只会增加1次；

 public boolean addAll(Collection <? extends E> c) {
     return addAll(size, c);
 }

 public boolean addAll(int index, Collection <? extends E> c) {
     checkPositionIndex(index);

     Object[] a = c.toArray();
     int numNew = a.length;
     if (numNew == 0)
         return false;

     Node <E> pred, succ;
     if (index == size) {
         succ = null;
         pred = last;
     } else {
         succ = node(index);
         pred = succ.prev;
     }

     for (Object o: a) {
         @SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) o;
         Node <E> newNode = new Node <> (pred, e, null);
         if (pred == null)
             first = newNode;
         else
             pred.next = newNode;
         pred = newNode;
     }

     if (succ == null) {
         last = pred;
     } else {
         pred.next = succ;
         succ.prev = pred;
     }

     size += numNew;
     modCount++;
     return true;
 }

clear()

这里是将node之间的引用关系都变成null，这样GC可以在年轻代回收元素了

public void clear() {
    // Clearing all of the links between nodes is "unnecessary", but:
    // - helps a generational GC if the discarded nodes inhabit
    //   more than one generation
    // - is sure to free memory even if there is a reachable Iterator
    for (Node <E> x = first; x != null;) {
        Node <E> next = x.next;
        x.item = null;
        x.next = null;
        x.prev = null;
        x = next;
    }
    first = last = null;
    size = 0;
    modCount++;
}

注意：有些同学可能注意到这里的判定条件是x != null，但是 LinkedList 是可以设置null值的，那是不是当链表中有null的元素，并且爱clear遍历到元素为null时，条件 x != null就为false了，那就不会继续执行，也就是后续的元素都无法置为空了？

实际上不是的，这里的x != null是没有这个元素，而LinkedList 中可以设置null值是指，x.item = null ，也就是有Node，但是Node的item属性为null

Positional Access 方法

通过index获取元素

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

将某个位置的元素重新赋值:

public E set(int index, E element) {
    checkElementIndex(index);
    Node <E> x = node(index);
    E oldVal = x.item;
    x.item = element;
    return oldVal;
}

将元素插入到指定index位置:

 public void add(int index, E element) {
     checkPositionIndex(index);

     if (index == size)
         linkLast(element);
     else
         linkBefore(element, node(index));
 }

删除指定位置的元素:

 public E remove(int index) {
     checkElementIndex(index);
     return unlink(node(index));
 }

其它位置的方法:

 private boolean isElementIndex(int index) {
     return index >= 0 && index < size;
 }

 private boolean isPositionIndex(int index) {
     return index >= 0 && index <= size;
 }

 private String outOfBoundsMsg(int index) {
     return "Index: " + index + ", Size: " + size;
 }

 private void checkElementIndex(int index) {
     if (!isElementIndex(index))
         throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
 }

 private void checkPositionIndex(int index) {
     if (!isPositionIndex(index))
         throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
 }

查找操作

查找操作的本质是查找元素的下标:

查找第一次出现的index, 如果找不到返回-1；

public int indexOf(Object o) {
    int index = 0;
    if (o == null) {
        for (Node <E> x = first; x != null; x = x.next) {
            if (x.item == null)
                return index;
            index++;
        }
    } else {
        for (Node <E> x = first; x != null; x = x.next) {
            if (o.equals(x.item))
                return index;
            index++;
        }
    }
    return -1;
}

查找最后一次出现的index, 如果找不到返回-1；

public int lastIndexOf(Object o) {
     int index = size;
     if (o == null) {
         for (Node <E> x = last; x != null; x = x.prev) {
             index--;
             if (x.item == null)
                 return index;
         }
     } else {
         for (Node <E> x = last; x != null; x = x.prev) {
             index--;
             if (o.equals(x.item))
                 return index;
         }
     }
     return -1;
 }

LinkedList 存在的性能问题

• 从速度的角度：ArrayDeque 基于数组实现双端队列，而 LinkedList 基于双向链表实现双端队列，数组采用连续的内存地址空间，通过下标索引访问，链表是非连续的内存地址空间，通过指针访问，所以在寻址方面数组的效率高于链表。

• 从内存的角度：虽然 LinkedList 没有扩容的问题，但是插入元素的时候，需要创建一个 Node 对象, 换句话说每次都要执行 new 操作，当执行 new 操作的时候，其过程是非常慢的，会经历两个过程：类加载过程 、对象创建过程。

  • 类加载过程

    • 会先判断这个类是否已经初始化，如果没有初始化，会执行类的加载过程

    • 类的加载过程：加载、验证、准备、解析、初始化等等阶段，之后会执行 <cinit> 方法，初始化静态变量，执行静态代码块等等

  • 对象创建过程

    • 如果类已经初始化了，直接执行对象的创建过程

    • 对象的创建过程：在堆内存中开辟一块空间，给开辟空间分配一个地址，之后执行初始化，会执行 <init>方法，初始化普通变量，调用普通代码块

关于作者

来自一线程序员Seven的探索与实践，持续学习迭代中~

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