LinkedList 源码解析
原创
简介
LinkedList 是 Java 集合框架中一个重要的实现，其底层采用的双向链表结构。和 ArrayList 一样，LinkedList 也支持空值和重复值。由于 LinkedList 基于链表实现，存储元素过程中，无需像 ArrayList 那样进行扩容。但有得必有失，LinkedList 存储元素的节点需要额外的空间存储前驱和后继的引用。另一方面，LinkedList 在链表头部和尾部插入效率比较高，但在指定位置进行插入时，效率一般。原因是，在指定位置插入需要定位到该位置处的节点，此操作的时间复杂度为O(N)。最后，LinkedList 是非线程安全的集合类，并发环境下，多个线程同时操作 LinkedList，会引发不可预知的错误。
LinkedList底层采用双向链表结构存储数据，允许重复数据和null值，长度没有限制：
每个节点用内部类Node表示：
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;
}
}Node节点包含item（存储数据），next（后继节点）和prev（前继节点）。数组内存地址必须连续，而链表就没有这个限制了，Node可以分布于各个内存地址，它们之间的关系通过prev和next维护。
LinkedList类关系图：
可以看到LinkedList类并没有实现RandomAccess接口，额外实现了Deque接口，所以包含一些队列方法。
Queue<T> queue = new LinkedList<>();LinkedList包含如下成员变量：
// 元素个数，默认为0
transient int size = 0;
// 表示第一个节点，第一个节点必须满足(first == null && last == null) || (first.prev == null && first.item != null)
transient Node<E> first;
// 表示最后一个节点，最后一个节点必须满足(first == null && last == null) || (last.next == null && last.item != null)
transient Node<E> last;方法解析
构造函数
空参构造函数：
public LinkedList() {
}
空参构造函数，默认size为0，每次添加新元素都要创建Node节点。有参构造函数：
LinkedList(Collection<? extends E> c)：
public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
this();
addAll(c);
}
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;
}
// 循环创建节点，设置prev，next指向
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;
}
该构造函数用于创建LinkedList，并往里添加指定集合元素。get(int index)
LinkedList 底层基于链表结构，无法向 ArrayList 那样随机访问指定位置的元素。LinkedList 查找过程要稍麻烦一些，需要从链表头结点（或尾节点）向后查找，时间复杂度为O(N)。相关源码如下：
public E get(int index) {
checkElementIndex(index);
return node(index).item;
}
// 采用二分法遍历每个Node节点，直到找到index位置的节点
Node<E> node(int index) {
/*
* 则从头节点开始查找，否则从尾节点查找
* 查找位置 index 如果小于节点数量的一半，
*/
if (index < (size >> 1)) {
Node<E> x = first;
// 循环向后查找，直至 i == index
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;
}
}代码较为简单，就是通过node函数查找指定index下标Node，然后获取其item属性值，节点查找需要遍历。主要是通过遍历的方式定位目标位置的节点。获取到节点后，取出节点存储的值返回即可。这里面有个小优化，即通过比较 index 与节点数量 size/2 的大小，决定从头结点还是尾节点进行查找。
set(int index, E element)
set(int index, E element)设置指定下标节点的item为指定值：
public E set(int index, E element) {
// 下标合法性检查
checkElementIndex(index);
// 获取index下标节点
Node<E> x = node(index);
// 获取旧值
E oldVal = x.item;
// 设置新值
x.item = element;
// 返回旧值
return oldVal;
}
// 采用二分法遍历每个Node节点，直到找到index位置的节点
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;
}
}可以看到，set方法也需要通过遍历查找目标节点。
插入
/** 在链表尾部插入元素 */
public boolean add(E e) {
linkLast(e);
return true;
}
/** 在链表指定位置插入元素 */
public void add(int index, E element) {
checkPositionIndex(index);
// 判断 index 是不是链表尾部位置，如果是，直接将元素节点插入链表尾部即可
if (index == size)
linkLast(element);
else
linkBefore(element, node(index));
}
/** 将元素节点插入到链表尾部 */
void linkLast(E e) {
final Node<E> l = last;
// 创建节点，并指定节点前驱为链表尾节点 last，后继引用为空
final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
// 将 last 引用指向新节点
last = newNode;
// 判断尾节点是否为空，为空表示当前链表还没有节点
if (l == null)
first = newNode;
else
l.next = newNode; // 让原尾节点后继引用 next 指向新的尾节点
size++;
modCount++;
}
/** 将元素节点插入到 succ 之前的位置 */
void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
// assert succ != null;
final Node<E> pred = succ.prev;
// 1. 初始化节点，并指明前驱和后继节点
final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
// 2. 将 succ 节点前驱引用 prev 指向新节点
succ.prev = newNode;
// 判断尾节点是否为空，为空表示当前链表还没有节点
if (pred == null)
first = newNode;
else
pred.next = newNode; // 3. succ 节点前驱的后继引用指向新节点
size++;
modCount++;
}代码较为简单，无非就是设置节点的prev和next关系。可以看到，除了头插和尾插外，在链表别的位置插入新节点，涉及到节点遍历操作，所以我们常说的链表插入速度快，指的是插入节点改变前后节点的引用过程很快。
核心逻辑在 linkBefore 和 linkLast 中。这里以 linkBefore 为例，它的逻辑流程如下：
- 创建新节点，并指明新节点的前驱和后继
- 将 succ 的前驱引用指向新节点
- 如果 succ 的前驱不为空，则将 succ 前驱的后继引用指向新节点
删除
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，找到要删除的节点
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
if (o.equals(x.item)) {
unlink(x); // 将节点从链表中移除
return true;
}
}
}
return false;
}
public E remove(int index) {
checkElementIndex(index);
// 通过 node 方法定位节点，并调用 unlink 将节点从链表中移除
return unlink(node(index));
}
/** 将某个节点从链表中移除 */
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;
// prev 为空，表明删除的是头节点
if (prev == null) {
first = next;
} else {
// 将 x 的前驱的后继指向 x 的后继
prev.next = next;
// 将 x 的前驱引用置空，断开与前驱的链接
x.prev = null;
}
// next 为空，表明删除的是尾节点
if (next == null) {
last = prev;
} else {
// 将 x 的后继的前驱指向 x 的前驱
next.prev = prev;
// 将 x 的后继引用置空，断开与后继的链接
x.next = null;
}
// 将 item 置空，方便 GC 回收
x.item = null;
size--;
modCount++;
return element;
}和插入操作一样，删除操作方法也是对底层方法的一层保证，核心逻辑在底层 unlink 方法中。所以长驱直入，直接分析 unlink 方法吧。unlink 方法的逻辑如下（假设删除的节点既不是头节点，也不是尾节点）：
- 将待删除节点 x 的前驱的后继指向 x 的后继
- 将待删除节点 x 的前驱引用置空，断开与前驱的链接
- 将待删除节点 x 的后继的前驱指向 x 的前驱
- 将待删除节点 x 的后继引用置空，断开与后继的链接
遍历
链表的遍历过程也很简单，和上面查找过程类似，我们从头节点往后遍历就行了。但对于 LinkedList 的遍历还是需要注意一些，不然可能会导致代码效率低下。通常情况下，我们会使用 foreach 遍历 LinkedList，而 foreach 最终转换成迭代器形式。所以分析 LinkedList 的遍历的核心就是它的迭代器实现，相关代码如下：
public ListIterator<E> listIterator(int index) {
checkPositionIndex(index);
return new ListItr(index);
}
private class ListItr implements ListIterator<E> {
private Node<E> lastReturned;
private Node<E> next;
private int nextIndex;
private int expectedModCount = modCount;
/** 构造方法将 next 引用指向指定位置的节点 */
ListItr(int index) {
// assert isPositionIndex(index);
next = (index == size) ? null : node(index);
nextIndex = index;
}
public boolean hasNext() {
return nextIndex < size;
}
public E next() {
checkForComodification();
if (!hasNext())
throw new NoSuchElementException();
lastReturned = next;
next = next.next; // 调用 next 方法后，next 引用都会指向他的后继节点
nextIndex++;
return lastReturned.item;
}
// 省略部分方法
}我们都知道 LinkedList 不擅长随机位置访问，如果大家用随机访问的方式遍历 LinkedList，效率会很差。比如下面的代码：
List<Integet> list = new LinkedList<>();
list.add(1)
list.add(2)
......
for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
Integet item = list.get(i);
// do something
}当链表中存储的元素很多时，上面的遍历方式对于效率来说就是灾难。原因在于，通过上面的方式每获取一个元素，LinkedList 都需要从头节点（或尾节点）进行遍历，效率不可谓不低。
原创声明：本文系作者授权腾讯云开发者社区发表，未经许可，不得转载。
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