Java8集合框架——LinkedList源码分析

java.util.LinkedList

　　本文的主要目录结构：

一、LinkedList的特点及与ArrayList的比较
二、LinkedList的内部实现
三、LinkedList添加元素
四、LinkedList查找元素
五、LinkedList删除元素
六、LinkedList修改元素

一、LinkedList的特点及与ArrayList的比较

对比上一篇的ArrayList介绍【传送门：Java8集合框架——ArrayList源码分析】，LinkedList因内部实现不同，其元素的内部访问方式也不一样。LinkedList的特点大致和ArrayList的比较如下：

关注的问题点	ArrayList相关结论	LinkedList相关结论
是否允许空的元素	是	是
是否允许重复的元素	是	是
元素有序：读取数据和存放数据的顺序一致	是	是
是否线程安全	否	否
随机访问的效率	随机访问指定索引（数组的索引）的元素快	因需要进行遍历，随机访问指定索引的元素较慢，而利用双向链表的特性，可以从两端进行访问，会使得平均访问的元素减少一半
顺序添加元素的效率	在不涉及扩容时，顺序添加元素速度快；当需要扩容时，涉及到元素的复制，相对较慢	顺序添加元素速度快，只是新建一个结点，然后添加结点链接；
删除和插入元素的效率	因涉及到复制和移动后续的元素，相对较慢	删除和插入涉及到遍历找到相关结点，因此会慢点，但是找到结点后的相关操作会比较快，因不涉及到元素的移动

二、LinkedList的内部实现

1、内部重要属性说明

　　LinkedList是以双向链表为基础实现列表的集合，内部实现结点中，有指向上一个结点 prev 和下一个结点next 的引用，即双向链表，而 E item 即为实际的存储元素，实现源码如下：

    private static class Node<E> {

        E item;          // 实际存储的元素

        Node<E> next;    // 下一个元素的引用

        Node<E> prev;    // 上一个元素的引用

        Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {

            this.item = element;

            this.next = next;

            this.prev = prev;

        }

    }

　　LinkedList内部有几个重要属性，比如说保存了元素个数、首结点引用和尾结点引用等，因此要获得LinkedList的首元素和尾元素元素也比较直接。

    // 实际存储的元素个数

    transient int size = 0;

    /**

     * Pointer to first node.

     * 第一个节点元素的引用

     * Invariant: (first == null && last == null) ||

     *            (first.prev == null && first.item != null)

     */

    transient Node<E> first;

    /**

     * Pointer to last node.

     * 最后一个节点元素的引用

     * Invariant: (first == null && last == null) ||

     *            (last.next == null && last.item != null)

     */

    transient Node<E> last;

2、构造函数说明

　　1、空构造函数

    /**

     * Constructs an empty list.

     */

    public LinkedList() {

    }

　　2、带参构造函数：通过指定集合构建

    /**

     * 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

     * 如果指定集合为空，会抛出NPE

     */

    public LinkedList(Collection<? extends E> c) {

        this();

        addAll(c);

    }

　　这个带参的构造函数其实比较好理解，通过指定集合构建的LinkedList，其实就是创建一个空的 LinkedList，然后把集合里面的所有元素添加进去。而添加集合元素调用的 addAll(c) ，实际上只是从指定索引处（这里是从末尾，即 size 处）添加所有的集合元素：addAll(size, c) 。

    /**

     * Appends all of the elements in the specified collection to the end of

     * this list, in the order that they are returned by the specified

     * collection's iterator.  The behavior of this operation is undefined if

     * the specified collection is modified while the operation is in

     * progress.  (Note that this will occur if the specified collection is

     * this list, and it's nonempty.)

     *

     * 往LinkedList中添加指定集合的所有元素

     *

     * @param c collection containing elements to be added to this list

     * @return {@code true} if this list changed as a result of the call

     * @throws NullPointerException if the specified collection is null

     */

    public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {

        // 从索引 size 处添加索引，即从末尾添加节点

        return addAll(size, c);

    }

　　再来看看 addAll(size, c) 的具体实现：

    /**

     * Inserts all of the elements in the specified collection into this

     * list, starting at the specified position.  Shifts the element

     * currently at that position (if any) and any subsequent elements to

     * the right (increases their indices).  The new elements will appear

     * in the list in the order that they are returned by the

     * specified collection's iterator.

     *

     * 往LinkedList的指定索引处添加指定集合的所有元素

     *

     * @param index index at which to insert the first element

     *              from the specified collection

     * @param c collection containing elements to be added to this list

     * @return {@code true} if this list changed as a result of the call

     * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}

     * @throws NullPointerException if the specified collection is null

     */

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

        // index 的边界检查

        checkPositionIndex(index);

        Object[] a = c.toArray();

        int numNew = a.length;

        if (numNew == 0)

            return false;

        Node<E> pred, succ;

        // index == size 表示从链表的末尾添加节点元素

        if (index == size) {

            succ = null;

            pred = last;

        } else {

            // 查找指定索引的节点

            // succ 记录了指定 index 处的索引节点,而 pred 则记录前一个节点

            // 也即是链表断开处前后的2个节点,中间需要添加指定的集合元素

            succ = node(index);

            pred = succ.prev;

        }

        for (Object o : a) {

            @SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) o;

            // 构造新节点, 记录的前节点 pred 刚好是这个要插入到链表的新节点的 prev 节点

            Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, null);

            // 空链表

            if (pred == null)

                first = newNode;

            else

                pred.next = newNode;

            pred = newNode;

        }

        // succ == null 表示是从链表尾部添加节点,已经没有后续节点了

        if (succ == null) {

            last = pred;

        } else {

            // 链接断开的节点

            pred.next = succ;

            succ.prev = pred;

        }

        // 记录实际元素个数 size 和已修改次数 modCount

        size += numNew;

        modCount++;

        return true;

    }

    // 对下表索引进行边界检查

    private void checkPositionIndex(int index) {

        if (!isPositionIndex(index))

            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));

    }

    /**

     * Tells if the argument is the index of a valid position for an

     * iterator or an add operation.

     * 实际上就是直接与内部属性 size 的比较, 即必须落在 0 ~ size 之间,因为这是链表的实际位置

     */

    private boolean isPositionIndex(int index) {

        return index >= 0 && index <= size;

    }

    /**

     * Returns the (non-null) Node at the specified element index.

     * 查找指定索引的节点

     */

    Node<E> node(int index) {

        // assert isElementIndex(index);

        // 利用双向链表的特性,看要查找的索引是落在前半部分还是后半部分,然后顺着查或者逆着查,可节省遍历的时间

        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;

        }

    }

　　下面通过图示和文字进行具体的说明：

    List<String> arrayList = new ArrayList<>();

    arrayList.add("01");

    arrayList.add("02");

    arrayList.add("03");

    List<String> linkedList = new LinkedList<>(arrayList);

　　大致图示如上。

三、 LinkedList添加元素

1、顺序添加元素

直接上源码：

    /**

     * Appends the specified element to the end of this list.

     *

     * <p>This method is equivalent to {@link #addLast}.

     *

     * @param e element to be appended to this list

     * @return {@code true} (as specified by {@link Collection#add})

     */

    public boolean add(E e) {

        linkLast(e);    // 顺序添加新元素,其实是从链表最后添加1个节点

        return true;

    }

    /**

     * Links e as last element.

     */

    void linkLast(E e) {

        final Node<E> l = last;

        final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);    // 新建节点: prev 为之前的尾节点 last,单链接完成

        last = newNode;    // 新节点即为尾节点

        if (l == null)

            first = newNode;    // 原来的尾节点为 null,说明是空链表,需要记录首节点

        else

            l.next = newNode;    // 记录原尾节点的 next指向,完成双向链接

        size++;        // 记录实际元素个数 size 和已修改次数 modCount

        modCount++;

    }

　　这段源码其实挺好理解的，大意就是

创建引用 l，指向原尾元素 last
创建新结点 newNode，该节点的 prev 指向保存的原尾节点引用 l，完成链表的单向链接
尾节点引用 last 指向新结点 newNode，作为新的尾节点
若原尾节点引用 l 为空，说明此时刚刚添加第一个元素，之前都没有元素，是个空链表，first 和 last 都为空，则首节点引用 first 指向新建节点 newNode，此时，first、last都指向同一个节点 newNode；否则，原尾节点的 next 指向 newNode，完成链表的双向链接
记录实际元素个数 size 和已修改次数 modCount

2、指定索引插入元素

判断是否越界
若没有越界，则再判断是否是尾节点添加，若是，直接顺序添加
若不是，则先找到指定索引的元素结点（参考下一小节），然后执行结点变更操作，和前面的 addAll 中的做法类似，这里就不细讲。

    /**

     * Inserts the specified element at the specified position in this list.

     * Shifts the element currently at that position (if any) and any

     * subsequent elements to the right (adds one to their indices).

     *

     * @param index index at which the specified element is to be inserted

     * @param element element to be inserted

     * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}

     */

    public void add(int index, E element) {

        // index 的边界检查

        checkPositionIndex(index);

        // index == size ,则相当于从最后添加元素

        if (index == size)

            linkLast(element);

        else

            linkBefore(element, node(index));

    }

    /**

     * Inserts element e before non-null Node succ.

     * 在指定节点前添加元素

     */

    void linkBefore(E e, Node<E> succ) {

        // assert succ != null;

        final Node<E> pred = succ.prev;

        final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);

        succ.prev = newNode;

        if (pred == null)

            first = newNode;    // 说明从首节点处插入节点, index = 0

        else

            pred.next = newNode;

        size++;

        modCount++;

    }

四、LinkedList查找元素

　　根据指定索引查找元素。这里使用了双向链表的特性，可以向前或者向后顺序查找，即判断索引落在前半部分(index < (size >> 1))，向后索引，落在后半部分，向前索引，这就能保证最多只要遍历一半，提高效率。

    /**

     * Returns the element at the specified position in this list.

     *

     * @param index index of the element to return

     * @return the element at the specified position in this list

     * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}

     */

    public E get(int index) {

        checkElementIndex(index);    // index 的边界检查

        return node(index).item;

    }

    /**

     * Returns the (non-null) Node at the specified element index.

     */

    Node<E> node(int index) {

        // assert isElementIndex(index);

        // 利用双向链表的特性,看要查找的索引是落在前半部分还是后半部分,然后顺着查或者逆着查,可节省遍历的时间

        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;

        }

    }

五、LinkedList删除元素

　　和ArrayList类似，删除元素也有2种

指定索引删除
指定元素删除

　　指定元素删除，是根据元素顺序进行判断直到找到相应的元素的，因此效率不高，从这里也可以看到，元素可以为null，因为null（使用==）和实际元素（使用equals）的对等判断是不一样的方法；指定索引也是需要先找到索引所对应的元素，然后再删除元素。

    /**

     * Removes the first occurrence of the specified element from this list,

     * if it is present.  If this list does not contain the element, it is

     * unchanged.  More formally, removes the element with the lowest index

     * {@code i} such that

     * <tt>(o==null&nbsp;?&nbsp;get(i)==null&nbsp;:&nbsp;o.equals(get(i)))</tt>

     * (if such an element exists).  Returns {@code true} if this list

     * contained the specified element (or equivalently, if this list

     * changed as a result of the call).

     * 移除指定元素

     *

     * @param o element to be removed from this list, if present

     * @return {@code true} if this list contained the specified element

     */

    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;

    }

    /**

     * Removes the element at the specified position in this list.  Shifts any

     * subsequent elements to the left (subtracts one from their indices).

     * Returns the element that was removed from the list.

     * 移除指定索引的元素

     *

     * @param index the index of the element to be removed

     * @return the element previously at the specified position

     * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}

     */

    public E remove(int index) {

        checkElementIndex(index);

        return unlink(node(index));

    }

　　从实现来看，最后删除元素都是直接调用了unlink(Node n)。

    /**

     * Unlinks non-null node x.

     * 移除一个非空节点

     */

    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;

        // 移除的是首节点

        if (prev == null) {

            first = next;

        } else {

            prev.next = next;

            x.prev = null;

        }

        // 移除的是尾节点

        if (next == null) {

            last = prev;

        } else {

            next.prev = prev;

            x.next = null;

        }

        x.item = null;

        size--;

        modCount++;

        return element;

    }

　　这里大致讲一下。说白了，就是结点引用的变更，一个图就可以说明，如下。

prev.next = next; 表示上一个元素的 next 指向本结点的 next 实际元素，即跳过本结点链接到下一个结点，如左边的红箭头
next.prev = prev; 表示下一个元素的 prev 指向本结点的 prev 实际元素，即跳过本结点链接到上一个结点，如右边的红箭头。

　　这样便完成了链接的变更。当然这里还考虑了该元素是否是首元素（首元素 first 下移一格为 next）、是否是尾元素（尾元素 last 上移一格为 prev）。如下3种场景（删除普通节点、删除首节点或者尾节点、删除唯一节点）图示：

六、LinkedList修改元素

　　可以到，这里也是引用了 node(index)，要顺序找到相应的元素，所以比较慢，但是一旦找到元素，就只会变更相关结点信息，这部分操作还是比较快的。

     /**

      * Replaces the element at the specified position in this list with the

      * specified element.

      *

      * @param index index of the element to replace

      * @param element element to be stored at the specified position

      * @return the element previously at the specified position

      * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}

      */

     public E set(int index, E element) {

         checkElementIndex(index);

         Node<E> x = node(index);

         E oldVal = x.item;

         x.item = element;

         return oldVal;

     }

　　作为 List 的基本功能大致说明如上。