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【139期】面试必会之LinkedList源码分析
The following article is from Java知音 Author 微信面对生活
来源：Java知音
注：本文所有方法和示例基于jdk1.8
概述
LinkedList是一种可以在任何位置进行高效地插入和移除操作的有序序列，它是基于双向链表实现的，是线程不安全的，允许元素为null的双向链表。
源码分析
1. 变量
/**
* 集合元素数量
**/
transient int size = 0;
/**
* 指向第一个节点的指针
* Invariant: (first == null && last == null) ||
* (first.prev == null && first.item != null)
*/
transient Node<E> first;
/**
* 指向最后一个节点的指针
* Invariant: (first == null && last == null) ||
* (last.next == null && last.item != null)
*/
transient Node<E> last;
2. 构造方法
/**
* 无参构造方法
*/
public LinkedList() {
}
/**
* 将集合c所有元素插入链表中
*/
public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
this();
addAll(c);
}
3. Node节点
private static class Node<E> {
// 值
E item;
// 后继
Node<E> next;
// 前驱
Node<E> prev;
Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
this.item = element;
this.next = next;
this.prev = prev;
}
}
因为一个Node既有prev也有next,所以证明它是一个双向链表。
4. 添加元素
addAll(Collection c)
将集合c添加到链表，如果不传index，则默认是添加到尾部。如果调用
addAll(int index, Collection<? extends E> c)方法，则添加到index后面。
/**
* 将集合添加到链尾
*/
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
return addAll(size, c);
}
/**
*
*/
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
checkPositionIndex(index);
// 拿到目标集合数组
Object[] a = c.toArray();
//新增元素的数量
int numNew = a.length;
//如果新增元素数量为0，则不增加，并返回false
if (numNew == 0)
return false;
//定义index节点的前置节点，后置节点
Node<E> pred, succ;
// 判断是否是链表尾部，如果是：在链表尾部追加数据
//尾部的后置节点一定是null，前置节点是队尾
if (index == size) {
succ = null;
pred = last;
} else {
// 如果不在链表末端(而在中间部位)
// 取出index节点，并作为后继节点
succ = node(index);
// index节点的前节点 作为前驱节点
pred = succ.prev;
}
// 链表批量增加，是靠for循环遍历原数组，依次执行插入节点操作
for (Object o : a) {
@SuppressWarnings("unchecked")
// 类型转换
E e = (E) o;
// 前置节点为pred，后置节点为null，当前节点值为e的节点newNode
Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, null);
// 如果前置节点为空， 则newNode为头节点，否则为pred的next节点
if (pred == null)
first = newNode;
else
pred.next = newNode;
pred = newNode;
}
// 循环结束后，如果后置节点是null，说明此时是在队尾追加的
if (succ == null) {
// 设置尾节点
last = pred;
} else {
//否则是在队中插入的节点 ，更新前置节点 后置节点
pred.next = succ;
succ.prev = pred;
}
// 修改数量size
size += numNew;
//修改modCount
modCount++;
return true;
}
/**
* 取出index节点
*/
Node<E> node(int index) {
// assert isElementIndex(index);
// 如果index 小于 size/2,则从头部开始找
if (index < (size >> 1)) {
// 把头节点赋值给x
Node<E> x = first;
for (int i = 0; i < index; i++)
// x=x的下一个节点
x = x.next;
return x;
} else {
// 如果index 大与等于 size/2，则从后面开始找
Node<E> x = last;
for (int i = size - 1; i > index; i--)
x = x.prev;
return x;
}
}
// 检测index位置是否合法
private void checkPositionIndex(int index) {
if (!isPositionIndex(index))
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
// 检测index位置是否合法
private boolean isPositionIndex(int index) {
return index >= 0 && index <= size;
}
假设我们要在index=2处添加{1,2}到链表中，图解如下：
第一步：拿到index=2的前驱节点 prev=ele1
第二步：遍历集合prev.next=newNode，并实时更新prev节点以便下一次
遍历:prev=newNode
第三步：将index=2的节点ele2接上:prev.next=ele2,ele2.prev=prev
注意node(index)方法:寻找处于index的节点，有一个小优化，结点在前半段则从头开始遍历，在后半段则从尾开始遍历，这样就保证了只需要遍历最多一半结点就可以找到指定索引的结点。
addFirst(E e)方法
将e元素添加到链表并设置其为头节点(first)。
public void addFirst(E e) {
linkFirst(e);
}
//将e链接成列表的第一个元素
private void linkFirst(E e) {
final Node<E> f = first;
// 前驱为空，值为e，后继为f
final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
first = newNode;
//若f为空，则表明列表中还没有元素，last也应该指向newNode
if (f == null)
last = newNode;
else
//否则，前first的前驱指向newNode
f.prev = newNode;
size++;
modCount++;
}
拿到first节点命名为f
新创建一个节点newNode设置其next节点为f节点
将newNode赋值给first
若f为空，则表明列表中还没有元素，last也应该指向newNode；否则，前first的前驱指向newNode。
图解如下：
addLast(E e)方法
将e元素添加到链表并设置其为尾节点(last)。
public void addLast(E e) {
linkLast(e);
}
/**
* 将e链接成列表的last元素
*/
void linkLast(E e) {
final Node<E> l = last;
// 前驱为前last，值为e，后继为null
final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
last = newNode;
//最后一个节点为空，说明列表中无元素
if (l == null)
//first同样指向此节点
first = newNode;
else
//否则，前last的后继指向当前节点
l.next = newNode;
size++;
modCount++;
}
过程与linkFirst()方法类似，这里略过。
add(E e)方法
在尾部追加元素e。
public boolean add(E e) {
linkLast(e);
return true;
}
void linkLast(E e) {
final Node<E> l = last;
// 前驱为前last，值为e，后继为null
final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
last = newNode;
//最后一个节点为空，说明列表中无元素
if (l == null)
//first同样指向此节点
first = newNode;
else
//否则，前last的后继指向当前节点
l.next = newNode;
size++;
modCount++;
}
add(int index, E element)方法
在链表的index处添加元素element.
public void add(int index, E element) {
checkPositionIndex(index);
if (index == size)
linkLast(element);
else
linkBefore(element, node(index));
}
/**
* 在succ节点前增加元素e(succ不能为空)
*/
void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
// assert succ != null;
// 拿到succ的前驱
final Node<E> pred = succ.prev;
// 新new节点：前驱为pred，值为e，后继为succ
final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
// 将succ的前驱指向当前节点
succ.prev = newNode;
// pred为空，说明此时succ为首节点
if (pred == null)
// 指向当前节点
first = newNode;
else
// 否则，将succ之前的前驱的后继指向当前节点
pred.next = newNode;
size++;
modCount++;
}
linkLast方法上文有讲。linkBefore(E e, Node<E> succ)方法步骤：
拿到succ的前驱节点
新new节点：前驱为pred，值为e，后继为succ :
Node<>(pred, e, succ);将succ的前驱指向当前节点
pred为空，说明此时succ为首节点,first指向当前节点;否则，将succ之前的前驱的后继指向当前节点
5. 获取/查询元素
get(int index)方法
根据索引获取链表中的元素。
public E get(int index) {
checkElementIndex(index);
return node(index).item;
}
// 检测index合法性
private void checkElementIndex(int index) {
if (!isElementIndex(index))
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
// 根据index 获取元素
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;
}
}
node方法上文有详细讲解，这里不做介绍。
getFirst()方法
获取头节点。
public E getFirst() {
final Node<E> f = first;
if (f == null)
throw new NoSuchElementException();
return f.item;
}
getLast()方法
获取尾节点。
public E getLast() {
final Node<E> l = last;
if (l == null)
throw new NoSuchElementException();
return l.item;
}
6. 删除元素
remove(Object o)
根据Object对象删除元素。
public boolean remove(Object o) {
// 如果o是空
if (o == null) {
// 遍历链表查找 item==null 并执行unlink(x)方法删除
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;
}
E unlink(Node<E> x) {
// assert x != null;
// 保存x的元素值
final E element = x.item;
//保存x的后继
final Node<E> next = x.next;
//保存x的前驱
final Node<E> prev = x.prev;
//如果前驱为null，说明x为首节点，first指向x的后继
if (prev == null) {
first = next;
} else {
//x的前驱的后继指向x的后继，即略过了x
prev.next = next;
// x.prev已无用处，置空引用
x.prev = null;
}
// 后继为null，说明x为尾节点
if (next == null) {
// last指向x的前驱
last = prev;
} else {
// x的后继的前驱指向x的前驱，即略过了x
next.prev = prev;
// x.next已无用处，置空引用
x.next = null;
}
// 引用置空
x.item = null;
size--;
modCount++;
// 返回所删除的节点的元素值
return element;
}
遍历链表查找 item==null 并执行unlink(x)方法删除
如果前驱为null，说明x为首节点，first指向x的后继,x的前驱的后继指向x的后继，即略过了x.
如果后继为null，说明x为尾节点，last指向x的前驱；否则x的后继的前驱指向x的前驱，即略过了x，置空x.next
引用置空：
x.item = null图解:
remove(int index)方法
根据链表的索引删除元素。
public E remove(int index) {
checkElementIndex(index);
//node(index)会返回index对应的元素
return unlink(node(index));
}
E unlink(Node<E> x) 方法上文有详解。
removeFirst()方法
删除头节点。
public E removeFirst() {
final Node<E> f = first;
if (f == null)
throw new NoSuchElementException();
return unlinkFirst(f);
}
private E unlinkFirst(Node<E> f) {
// assert f == first && f != null;
//取出首节点中的元素
final E element = f.item;
//取出首节点中的后继
final Node<E> next = f.next;
f.item = null;
f.next = null; // help GC
// first指向前first的后继，也就是列表中的2号位
first = next;
//如果此时2号位为空，那么列表中此时已无节点
if (next == null)
//last指向null
last = null;
else
// 首节点无前驱
next.prev = null;
size--;
modCount++;
return element;
}
原理与添加头节点类似。
removeLast()方法
删除尾节点(last)
public E removeLast() {
final Node<E> l = last;
if (l == null)
throw new NoSuchElementException();
return unlinkLast(l);
}
private E unlinkLast(Node<E> l) {
// assert l == last && l != null;
// 取出尾节点中的元素
final E element = l.item;
// 取出尾节点中的后继
final Node<E> prev = l.prev;
l.item = null;
l.prev = null; // help GC
// last指向前last的前驱，也就是列表中的倒数2号位
last = prev;
// 如果此时倒数2号位为空，那么列表中已无节点
if (prev == null)
// first指向null
first = null;
else
// 尾节点无后继
prev.next = null;
size--;
modCount++;
// 返回尾节点保存的元素值
return element;
}
7. 修改元素
修改元素比较简单，先找到index对应节点，然后对值进行修改。
public E set(int index, E element) {
checkElementIndex(index);
// 获取到需要修改元素的节点
Node<E> x = node(index);
// 保存之前的值
E oldVal = x.item;
// 执行修改
x.item = element;
// 返回旧值
return oldVal;
}
8. 与ArrayList的对比
优点：
不需要扩容和预留空间,空间效率高
增删效率高
缺点：
随机访问时间效率低
改查效率低
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