前言
LinkedList，相对于ArrayList，大家可能平时使用LinkedList要少一些，其实有时候使用LinkedList比ArrayList效率高很多，当然，这得视情况而定。
本文将带大家深入LinkedList源码，分析其背后的实现原理，以便以后在合适的情况下进行使用。之前我所知道的LinkedList的知识：
LinkedList底层是链表结构
插入和删除比较快（O(1)），查询则相对慢一些（O(n)）
因为是链表结构，所以分配的空间不要求是连续的
链表
因为LinkedList源码中很多地方是进行链表操作,所以先带大家复习一下链表的基础知识.以前用C语言实现的链表,大家可以去看一下,地址如下：
https://github.com/xfhy/dataStructure
单链表
一个节点中包含数据和下一个节点的指针(注意,是下一个节点的指针,而不是下一个节点数据的指针),尾节点没有下一个节点,所以指向null.访问某个节点只能从头节点开始查找,然后依次往后遍历.
单向循环链表
单向循环链表比单链表多了一个尾节点的指针指向的是头结点.
双向链表
双向链表的每个节点包含以下数据:上一个节点的指针,自己的数据,下一个节点的指针.尾节点没有下一个节点,所以指向null.这样的结构,比如我拿到链表中间的一个节点,即可以往前遍历,也可以往后遍历.
双向循环链表
双向循环链表的尾节点的下一个节点是头结点,头节点的上一个节点是尾节点.
LinkedList的继承关系
来看下源码中的定义
public class LinkedList<E>
extends AbstractSequentialList<E>
implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.SerializableAbstractSequentialList这个类提供了List的一个骨架实现接口，以尽量减少实现此接口所需的工作量由“顺序访问”数据存储（如链接列表）支持。对于随机访问数据（如数组），应使用AbstractList优先于此类。
实现了List接口,意味着LinkedList元素是有序的,可以重复的,可以有null元素的集合.
Deque是Queue的子接口,Queue是一种队列形式,而Deque是双向队列,它支持从两个端点方向检索和插入元素.
实现了Cloneable接口,标识着可以它可以被复制.注意,ArrayList里面的clone()复制其实是浅复制(不知道此概念的赶快去查资料,这知识点非常重要).
实现了Serializable 标识着集合可被序列化。
LinkerList 的源码解析
节点定义
private static class Node<E> {
E item; //该节点的数据
Node<E> next; //指向下一个节点的指针
Node<E> prev; //指向上一个节点的指针
Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
this.item = element;
this.next = next;
this.prev = prev;
}
}Node是LinkedList的静态内部类.
为什么是静态内部类?我觉得可能原因如下:普通内部类会有外部类的强引用,而静态内部类就没有.有外部类的强引用的话,很容易造成内存泄漏,写成静态内部类可以避免这种情况的发生.
看构造方法之前先看看几个属性:
//链表长度
transient int size = 0;
/**
* 头结点
*/
transient Node<E> first;
/**
* 尾节点
*/
transient Node<E> last;
这里为什么要存在一个成员变量尾节点?我感觉是为了方便,比如查找相应索引处元素+插入元素到最后.查找相应索引处元素时,先判断索引是在前半段还是在后半段,如果是在后半段,那么直接从尾节点出发,从后往前进行查找,这样速度更快.在插入元素到最后时,可以直接通过尾节点方便的进行插入.
下面是构造方法源码:
/**
* 构造一个空列表
*/
public LinkedList() {
}
/**
* 构造列表通过指定的集合
*/
public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
this();
addAll(c);
}
两个构造方法都比较简单,就是构造一个列表,其中的addAll()方法待会儿放到后面分析.
思考:为什么LinkedList没有提供public LinkedList(int initialCapacity)这种构建指定大小列表的构造方式?
因为ArrayList有这种构造方法public ArrayList(int initialCapacity),ArrayList提供这种构造方法的好处在于在知道需要多大的空间的情况下,可以按需构造列表,无需浪费多余的空间和不必要的生成新数组的操作.而LinkedList可以很轻松动态的增加元素(O(1)),所以没必要一开始就构造一个有很多元素的列表,到时需要的时候再按需加上去就行了.
添加元素
方法作用:将e添加到链表末尾,返回是否添加成功
/**
* 添加指定元素到链表尾部
*/
public boolean add(E e) {
linkLast(e);
return true;
}
/**
* Links e as last element.将e添加到尾部
*/
void linkLast(E e) {
//1. 暂记尾节点
final Node<E> l = last;
//2. 构建节点 前一个节点是之前的尾节点
final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
//3. 新建的节点是尾节点了
last = newNode;
//4. 判断之前链表是否为空
//为空则将新节点赋给头结点(相当于空链表插入第一个元素,头结点等于尾节点)
//非空则将之前的尾节点指向新节点
if (l == null)
first = newNode;
else
l.next = newNode;
//5. 链表长度增加
size++;
modCount++;
}大体思路:
构建一个新的节点
将该新节点作为新的尾节点.如果是空链表插入第一个元素,那么头结点=尾节点=新节点;如果不是,那么将之前的尾节点指向新节点.
增加链表长度
小细节
boolean add(E e)添加成功返回true,添加失败返回false.我们在代码中没有看到有返回false的情况啊,直接在代码中写了个返回true,什么判断条件都没有,啊??
仔细想想,分配内存空间不是必须是连续的,所以只要是还能给它分配空间,就不会添加失败.当空间不够分配时(内存溢出),会抛出OutOfMemory.
addLast(E e)
方法作用:添加元素到末尾. 内部实现和add(E e)一样.
public void addLast(E e) {
linkLast(e);
}方法作用:添加元素到链表头部
public void addFirst(E e) {
linkFirst(e);
}
/**
* 添加元素到链表头部
*/
private void linkFirst(E e) {
//1. 记录头结点
final Node<E> f = first;
//2. 创建新节点 next指针指向之前的头结点
final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
//3. 新建的节点就是头节点了
first = newNode;
//4. 判断之前链表是否为空
//为空则将新节点赋给尾节点(相当于空链表插入第一个元素,头结点等于尾节点)
//非空则将之前的头结点的prev指针指向新节点
if (f == null)
last = newNode;
else
f.prev = newNode;
//5. 链表长度增加
size++;
modCount++;
}大体思路:
构建一个新的节点
将该新节点作为新的头节点.如果是空链表插入第一个元素,那么头结点=尾节点=新节点;如果不是,那么将之前的头节点的prev指针指向新节点.
增加链表长度
方法作用:添加元素到链表头部 这里的意思比拟压栈.和pop(出栈:移除链表第一个元素)相反.
内部实现是和addFirst()一样的.
public void push(E e) {
addFirst(e);
}方法作用:添加元素到链表头部. 内部实现其实就是add(e)
public boolean offer(E e) {
return add(e);
}
public boolean offerFirst(E e) {
addFirst(e);
return true;
}
/**
* 添加元素到末尾
*/
public boolean offerLast(E e) {
addLast(e);
return true;
}方法作用:添加元素到指定位置,可能会抛出IndexOutOfBoundsException
//添加元素到指定位置
public void add(int index, E element) {
//1. 越界检查
checkPositionIndex(index);
//2. 判断一下index大小
//如果是和list大小一样,那么就插入到最后
//否则插入到index处
if (index == size)
linkLast(element);
else
linkBefore(element, node(index));
}
//检查是否越界
private void checkPositionIndex(int index) {
if (!isPositionIndex(index))
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
/**
* Returns the (non-null) Node at the specified element index.
返回指定元素索引处的（非空）节点。
*/
Node<E> node(int index) {
// assert isElementIndex(index);
/**
* 这里的思想非常巧妙,如果index在链表的前半部分,那么从first开始往后查找
否则,从last往前面查找
*/
//1. 如果index<size/2 ,即index在链表的前半部分
if (index < (size >> 1)) {
//2. 记录下第一个节点
Node<E> x = first;
//3. 循环从第一个节点开始往后查,直到到达index处,返回index处的元素
for (int i = 0; i < index; i++)
x = x.next;
return x;
} else {
//index在链表的后半部分
//4. 记录下最后一个节点
Node<E> x = last;
//5. 循环从最后一个节点开始往前查,直到到达index处,返回index处的元素
for (int i = size - 1; i > index; i--)
x = x.prev;
return x;
}
}
/**
* Links e as last element.
将e链接到list最后一个元素
*/
void linkLast(E e) {
//1. 记录最后一个元素l
final Node<E> l = last;
//2. 构建一个新节点,数据为e,前一个是l,后一个是null
final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
//3. 现在新节点是最后一个元素了,所以需要记录下来
last = newNode;
//4. 如果之前list为空,那么first=last=newNode,只有一个元素
if (l == null)
first = newNode;
else
//5. 非空的话,那么将之前的最后一个指向新的节点
l.next = newNode;
//6. 链表长度+1
size++;
modCount++;
}
/**
* Inserts element e before non-null Node succ.
在非null节点succ之前插入元素e。
*/
void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
// assert succ != null;
//1. 记录succ的前一个节点
final Node<E> pred = succ.prev;
//2. 构建一个新节点,数据是e,前一个节点是pred,下一个节点是succ
final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
//3. 将新节点作为succ的前一个节点
succ.prev = newNode;
//4. 判断pred是否为空
//如果为空,那么说明succ是之前的头节点,现在新节点在succ的前面,所以新节点是头节点
if (pred == null)
first = newNode;
else
//5. succ的前一个节点不是空的话,那么直接将succ的前一个节点指向新节点就可以了
pred.next = newNode;
//6. 链表长度+1
size++;
modCount++;
}大体思路:
首先判断一下插入的位置是在链表的最后还是在链表中间.
如果是插入到链表末尾,那么将之前的尾节点指向新节点
如果是插入到链表中间
需要先找到链表中index索引处的节点.
将新节点赋值为index处节点的前一个节点
将index处节点的前一个节点的next指针赋值为新节点
哇,这里描述起来有点困难,,,,不知道我描述清楚没有.如果没看懂我的描述,看一下代码+再结合代码注释+画一下草图应该更清晰一些.
addAll(int index, Collection)
//将指定集合的所有元素插入到末尾位置
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
return addAll(size, c);
}
//将指定集合的所有元素插入到index位置
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
//1. 入参合法性检查
checkPositionIndex(index);
//2. 将集合转成数组
Object[] a = c.toArray();
//3. 记录需要插入的集合元素个数
int numNew = a.length;
//4. 如果个数为0,那么插入失败,不继续执行了
if (numNew == 0)
return false;
//5. 判断一下index与size是否相等
//相等则插入到链表末尾
//不相等则插入到链表中间 index处
Node<E> pred, succ;
if (index == size) {
succ = null;
pred = last;
} else {
//找到index索引处节点 这样就可以方便的拿到该节点的前后节点信息
succ = node(index);
//记录index索引处节点前一个节点
pred = succ.prev;
}
//6. 循环将集合中所有元素连接到pred后面
for (Object o : a) {
@SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) o;
Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, null);
//如果前一个是空,那么将新节点作为头结点
if (pred == null)
first = newNode;
else
//指向新节点
pred.next = newNode;
pred = newNode;
}
//7. 判断succ是否为空
//为空的话,那么集合的最后一个元素就是尾节点
//非空的话,那么将succ连接到集合的最后一个元素后面
if (succ == null) {
last = pred;
} else {
pred.next = succ;
succ.prev = pred;
}
//8. 链表长度+numNew
size += numNew;
modCount++;
return true;
}大体思路:
将需要添加的集合转成数组a
判断需要插入的位置index是否等于链表长度size,如果相等则插入到链表最后;如果不相等,则插入到链表中间,还需要找到index处节点succ,方便拿到该节点的前后节点信息.
记录index索引处节点的前一个节点pred,循环将集合中所有元素连接到pred的后面
将集合最后一个元素的next指针指向succ,将succ的prev指针指向集合的最后一个元素
删除元素
方法作用: 移除链表第一个元素
/**
* 移除链表第一个节点
*/
public E remove() {
return removeFirst();
}
/**
* 移除链表第一个节点
*/
public E removeFirst() {
final Node<E> f = first;
//注意:如果之前是空链表,移除是要报错的哟
if (f == null)
throw new NoSuchElementException();
return unlinkFirst(f);
}
/**
* Unlinks non-null first node f.
* 将第一个节点删掉
*/
private E unlinkFirst(Node<E> f) {
// assert f == first && f != null;
//1. 记录第一个节点的数据值
final E element = f.item;
//2. 记录下一个节点
final Node<E> next = f.next;
//3. 将第一个节点置空 帮助GC回收
f.item = null;
f.next = null; // help GC
//4. 记录头节点
first = next;
//5. 如果下一个节点为空,那么链表无节点了 如果不为空,将头节点的prev指针置为空
if (next == null)
last = null;
else
next.prev = null;
//6. 链表长度-1
size--;
modCount++;
//7. 返回删除的节点的数据值
return element;
}大体思路:其实就是将第一个节点移除并置空,然后将第二个节点作为头节点.思路还是非常清晰的,主要是对细节的处理.
remove(int index)
方法作用:移除指定位置元素
//移除指定位置元素
public E remove(int index) {
//检查入参是否合法
checkElementIndex(index);
//node(index)找到index处的节点
return unlink(node(index));
}
//移除节点x
E unlink(Node<E> x) {
// assert x != null;
//1. 记录该节点数据值,前一个节点prev,后一个节点next
final E element = x.item;
final Node<E> next = x.next;
final Node<E> prev = x.prev;
//2. 判断前一个节点是否为空
if (prev == null) {
//为空的话,那么说明之前x节点是头节点 这时x的下一个节点成为头节点
first = next;
} else {
//非空的话,将前一个节点的next指针指向x的下一个节点
prev.next = next;
//x的prev置为null
x.prev = null;
}
//3. 判断x后一个节点是否为空
if (next == null) {
//为空的话,那么说明之前x节点是尾节点,这时x的前一个节点成为尾节点
last = prev;
} else {
//为空的话,将x的下一个节点的prev指针指向prev(x的前一个节点)
next.prev = prev;
//x的next指针置空
x.next = null;
}
//4. x节点数据值置空
x.item = null;
//5. 链表长度-1
size--;
modCount++;
//6. 将x节点的数据值返回
return element;
}大体思路:
首先找到index索引处的节点(这样就可以方便的获取该节点的前后节点),记为x
记录x的前(prev)后(next)节点
将x的前一个节点prev节点的next指针指向next,将x节点的后一个节点的prev指针指向prev节点.
将x节点置空,链表长度-1
remove(Object o)
方法作用:从此链表中删除第一次出现的指定元素o
public boolean remove(Object o) {
//1. 判断o是否为空
if (o == null) {
//为null 循环,找第一个数据值为null的节点
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
if (x.item == null) {
//删除该节点
unlink(x);
return true;
}
}
} else {
//非空 循环,找第一个与o的数据值相等的节点
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
if (o.equals(x.item)) {
//删除该节点
unlink(x);
return true;
}
}
}
return false;
}大体思路:
首先判断入参是否为null
如果为null,那么循环遍历链表,从头节点开始往后查找,找到第一个节点的数据值为null的,直接删除该节点.
如果非null,那么循环遍历链表,从头节点开始往后查找,找到第一个节点的数据值为o的,直接删除该节点.
这里的循环遍历链表的代码,我觉得还是比较通用的,从头节点开始,通过不断的将x赋值为下一个元素,直到遍历到为null的地方结束,这样就完美的遍历完了链表所有节点.
方法作用:从此链表中删除第一次出现的指定元素o. 内部其实就是上面的remove(o);
public boolean removeFirstOccurrence(Object o) {
return remove(o);
}方法作用:移除最后一个元素并返回
public E removeLast() {
final Node<E> l = last;
//如果链表是空的,那么就要抛出一个错误
if (l == null)
throw new NoSuchElementException();
return unlinkLast(l);
}
/**
* Unlinks non-null last node l.
移除链表最后一个元素
*/
private E unlinkLast(Node<E> l) {
// assert l == last && l != null;
//1. 记录尾节点数据值
final E element = l.item;
//2. 找到尾节点的前一个节点prev
final Node<E> prev = l.prev;
//3. 将尾节点置空 方便GC
l.item = null;
l.prev = null; // help GC
//4. 将last赋值为prev
last = prev;
//5. 判断prev是否为null
//为空的话,说明之前链表就只有1个节点,现在删了之后,头节点和尾节点都为null了
//非空,直接将新任尾节点的next指针指向null
if (prev == null)
first = null;
else
prev.next = null;
//6. 链表长度-1
size--;
modCount++;
//7. 返回之前尾节点数据值
return element;
}大体思路:
判断链表是否有节点, 没有节点直接抛错误….
首先找到倒数第二个节点(可能没有哈,没有的话,说明链表只有一个节点)prev
然后将尾节点置空,prev的next指针指向null
方法作用:从此链表中删除最后一次出现的指定元素o.
实现:其实和上面的remove(o)是一样的,只不过这里遍历时是从尾节点开始往前查找的.
public boolean removeLastOccurrence(Object o) {
if (o == null) {
for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) {
if (x.item == null) {
unlink(x);
return true;
}
}
} else {
for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) {
if (o.equals(x.item)) {
unlink(x);
return true;
}
}
}
return false;
}方法作用:获取第一个元素的同时删除第一个元素,当链表无节点时,不会报错. 这里的unlinkFirst()上面已分析过.
public E poll() {
final Node<E> f = first;
return (f == null) ? null : unlinkFirst(f);
}方法作用:获取第一个元素的同时删除第一个元素,当链表无节点时,会报错.
public E pop() {
return removeFirst();
}
public E removeFirst() {
final Node<E> f = first;
if (f == null)
throw new NoSuchElementException();
return unlinkFirst(f);
}修改元素
方法作用:设置index处节点数据值为element
public E set(int index, E element) {
//1. 入参检测
checkElementIndex(index);
//2. 找到index处节点,上面已分析该方法
Node<E> x = node(index);
//3. 保存该节点旧值
E oldVal = x.item;
//4. 替换为新值
x.item = element;
//5. 将旧值返回
return oldVal;
}大体思路:非常简单,就是首先找到index处节点,替换该节点数据值
查询元素
方法作用:获取链表第一个元素. 方法比较简单,就是将链表头节点数据值进行返回
public E element() {
return getFirst();
}
public E getFirst() {
final Node<E> f = first;
if (f == null)
throw new NoSuchElementException();
return f.item;
}方法作用:获取指定索引处元素. 方法比较简单,就是通过node(index)找到index索引处节点,然后返回其数据值
public E get(int index) {
//1. 入参检测
checkElementIndex(index);
//2. 获取指定索引处节点数据值
return node(index).item;
}方法作用:获取链表第一个元素. 非常简单,就是将first的数据值返回
public E getFirst() {
final Node<E> f = first;
if (f == null)
throw new NoSuchElementException();
return f.item;
}方法作用:获取链表最后一个元素. 非常简单,就是将last的数据值返回
public E getLast() {
final Node<E> l = last;
if (l == null)
throw new NoSuchElementException();
return l.item;
}这也是查询的一种,哈哈
我们先来看看listIterator(int index)方法,就是new了一个ListItr进行返回.ListItr是LinkedList的内部类.
public ListIterator<E> listIterator(int index) {
checkPositionIndex(index);
return new ListItr(index);
}接下来,我们看看这个内部类:
private class ListItr implements ListIterator<E> {
//上一次返回的节点
private Node<E> lastReturned;
//下一个节点
private Node<E> next;
//下一个节点索引
private int nextIndex;
private int expectedModCount = modCount;
ListItr(int index) {
// assert isPositionIndex(index);
//如果是最后一个节点,那么返回next是null
//如果不是最后一个节点,那么找到该index索引处节点
next = (index == size) ? null : node(index);
nextIndex = index;
}
public boolean hasNext() {
//判断是否还有下一个元素
return nextIndex < size;
}
//获取下一个元素
public E next() {
checkForComodification();
//1. 如果没有下一个元素 抛异常
if (!hasNext())
throw new NoSuchElementException();
//2. 记录上一次遍历到的节点
lastReturned = next;
//3. 往后移
next = next.next;
//4. 索引+1
nextIndex++;
//5. 将遍历到的节点数据值返回
return lastReturned.item;
}
public boolean hasPrevious() {
//判断是否还有前一个元素
return nextIndex > 0;
}
//获取前一个元素
public E previous() {
checkForComodification();
//1. 如果没有前一个元素,则抛异常
if (!hasPrevious())
throw new NoSuchElementException();
//2. 当next是null的时候,赋值为last
//不是null的时候,往前移动
lastReturned = next = (next == null) ? last : next.prev;
//3. index-1 因为是往前
nextIndex--;
//4. 将遍历到的节点数据值返回
return lastReturned.item;
}
public int nextIndex() {
return nextIndex;
}
public int previousIndex() {
return nextIndex - 1;
}
//移除当前遍历到的元素
public void remove() {
checkForComodification();
//1. 移除当前遍历到的元素为null,直接抛错误
if (lastReturned == null)
throw new IllegalStateException();
//2. 记录当前节点的下一个节点
Node<E> lastNext = lastReturned.next;
//3. 删除当前节点
unlink(lastReturned);
//4. 如果next == lastReturned,说明当前是从前往后遍历的,那么将next赋值为下一个节点
//如果不相等,那么说明是从后往前遍历的,这时只需要将index-1就行了
if (next == lastReturned)
next = lastNext;
else
nextIndex--;
//5. 将移除的节点置空
lastReturned = null;
expectedModCount++;
}
//设置当前正在遍历的节点的值 啥?用ListIterator居然可以在遍历的时候修改值,,666
public void set(E e) {
if (lastReturned == null)
throw new IllegalStateException();
checkForComodification();
//设置当前遍历的节点的值
lastReturned.item = e;
}
//添加一个值
public void add(E e) {
checkForComodification();
lastReturned = null;
//如果next为null,那么添加到最后
//否则,将e元素添加到next的前面
if (next == null)
linkLast(e);
else
linkBefore(e, next);
nextIndex++;
expectedModCount++;
}
public void forEachRemaining(Consumer<? super E> action) {
Objects.requireNonNull(action);
//循环 往后遍历 没遍历一个节点就回调当前节点的数据值
while (modCount == expectedModCount && nextIndex < size) {
action.accept(next.item);
lastReturned = next;
next = next.next;
nextIndex++;
}
checkForComodification();
}
//判断一下该列表是否被其他线程改过(在迭代过程中) 修改过则抛异常
final void checkForComodification() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
}这里的ListIterator有点强
ListIterator只能用于List及其子类型。
有add()方法,可以往链表中添加对象
可以通过hasNext()和next()往后顺序遍历,也可以通过hasPrevious()和previous()实现往前遍历
可以通过nextIndex()和previousIndex()返回当前索引处的位置
可以通过set()实现当前遍历对象的修改
总结
好了,又到了总结的时候,相信各位认真看完的应该对链表的基本操作非常熟悉了.
下面我们来总结一下LinkedList的关键点
底层是双向链表存储数据,并且记录了头节点和尾节点
添加元素非常快,如果是添加到头部和尾部的话更快,因为已经记录了头节点和尾节点,只需要链接一下就行了. 如果是添加到链表的中间部分的话,那么多一步操作,需要先找到添加索引处的元素(因为需要链接到这里),才能进行添加.
遍历的时候,建议采用forEach()进行遍历,这样可以在每次获取下一个元素时都非常轻松(next = next.next;). 然后如果是通过fori和get(i)的方式进行遍历的话,效率是极低的,每次get(i)都需要从最前面(或者最后面)开始往后查找i索引处的元素,效率很低.
删除也是非常快,只需要改动一下指针就行了,代价很小.
共同学习，写下你的评论
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