Java LinkedList源码剖析

LinkedList

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总体介绍

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）。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。

LinkedList底层通过双向链表实现，本节将着重讲解插入和删除元素时双向链表的维护过程，也即是之间解跟List接口相关的函数，而将Queue和Stack以及Deque相关的知识放在下一节讲。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，当链表为空的时候first和last都指向null。

//Node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;
    }
}

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。

方法剖析

add()

add()方法有两个版本，一个是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；另一个是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。

结合上图，可以看出add(E e)的逻辑非常简单。

//add(E e)
public boolean add(E e) {
    final Node<E> l = last;
    final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
    last = newNode;
    if (l == null)
        first = newNode;//原来链表为空，这是插入的第一个元素
    else
        l.next = newNode;
    size++;
    return true;
}

add(int index, E element)的逻辑稍显复杂，可以分成两部，1.先根据index找到要插入的位置；2.修改引用，完成插入操作。

//add(int index, E element)
public void add(int index, E element) {
	checkPositionIndex(index);//index >= 0 && index <= size;
	if (index == size)//插入位置是末尾，包括列表为空的情况
        add(element);
    else{
    	Node<E> succ = node(index);//1.先根据index找到要插入的位置
        //2.修改引用，完成插入操作。
        final Node<E> pred = succ.prev;
        final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
        succ.prev = newNode;
        if (pred == null)//插入位置为0
            first = newNode;
        else
            pred.next = newNode;
        size++;
    }
}

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。

remove()

remove()方法也有两个版本，一个是删除跟指定元素相等的第一个元素remove(Object o)，另一个是删除指定下标处的元素remove(int index)。

两个删除操作都要1.先找到要删除元素的引用，2.修改相关引用，完成删除操作。在寻找被删元素引用的时候remove(Object o)调用的是元素的equals方法，而remove(int index)使用的是下标计数，两种方式都是线性时间复杂度。在步骤2中，两个revome()方法都是通过unlink(Node<E> x)方法完成的。这里需要考虑删除元素是第一个或者最后一个时的边界情况。

//unlink(Node<E> x)，删除一个Node
E unlink(Node<E> x) {
    final E element = x.item;
    final Node<E> next = x.next;
    final Node<E> prev = x.prev;
    if (prev == null) {//删除的是第一个元素
        first = next;
    } else {
        prev.next = next;
        x.prev = null;
    }
    if (next == null) {//删除的是最后一个元素
        last = prev;
    } else {
        next.prev = prev;
        x.next = null;
    }
    x.item = null;//let GC work
    size--;
    return element;
}

get()

get(int index)得到指定下标处元素的引用，通过调用上文中提到的node(int index)方法实现。

public E get(int index) {
    checkElementIndex(index);//index >= 0 && index < size;
    return node(index).item;
}

set()

set(int index, E element)方法将指定下标处的元素修改成指定值，也是先通过node(int index)找到对应下表元素的引用，然后修改Node中item的值。

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