Java集合源码分析之LinkedList
前言
前面一篇我们分析了ArrayList的源码，这一篇分享的是LinkedList。我们都知道它的底层是由链表实现的，所以我们要明白什么是链表？
一、LinkedList简介
1.1、LinkedList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。
- LinkedList 是一个继承于AbstractSequentialList的双向链表。它也可以被当作堆栈、队列或双端队列进行操作。
- LinkedList 实现 List 接口，能对它进行队列操作。
- LinkedList 实现 Deque 接口，即能将LinkedList当作双端队列使用。
- LinkedList 实现了Cloneable接口，即覆盖了函数clone()，能克隆。
- LinkedList 实现java.io.Serializable接口，这意味着LinkedList支持序列化，能通过序列化去传输。
- LinkedList 是非同步的。
1.2、LinkedList的数据结构
1）基础知识补充
1.1）单向链表：通过每个结点的指针指向下一个结点从而链接起来的结构，最后一个节点的next指向null。
element：用来存放元素 next：用来指向下一个节点元素
1.2）单向循环链表
element、next 跟前面一样
在单向链表的最后一个节点的next会指向头节点，而不是指向null，这样存成一个环
1.3）双向链表：包含两个指针的，pre指向前一个节点，next指向后一个节点，但是第一个节点head的pre指向null，最后一个节点的tail也指向null。
element：存放元素 pre：用来指向前一个元素 next：指向后一个元素
1.4）双向循环链表
element、pre、next 跟前面的一样
第一个节点的pre指向最后一个节点，最后一个节点的next指向第一个节点，也形成一个“环”。
2）LinkedList的数据结构
如上图所示：LinkedList底层使用的是双向链表结构，有一个头结点和一个尾结点，双向链表意味着我们可以从头开始正向遍历，或者是从尾开始逆向遍历，并且可以针对头部和尾部进行相应的操作。
1.3、LinkedList的特性
- 异步，也就是非线程安全
- 双向链表，由于实现了list和Deque接口，能够当作队列来使用。链表：查询效率不高，但是插入和删除这种操作性能好。
- 是顺序存储结构（注意和随机存取结构两个概念搞清楚）
二、LinkedList源码分析
2.1、LinkedList的继承结构以及层次关系
分析：我们可以看到，linkedList在最底层，说明他的功能最为强大，并且细心的还会发现，arrayList只有四层，这里多了一层AbstractSequentialList的抽象类，为什么呢？
通过API我们会发现：
- 减少实现顺序存取（例如LinkedList）这种类的工作，就是方便，抽象出类似LinkedList这种类的一些共同的方法
- 那么如果想自己实现顺序存取这种特性的类（就是链表形式），那么就继承这个AbstractSequentialList抽象类，如果想像数组那样的随机存取的类，那么就去实现AbstractList抽象类。
- 这样的分层，就很符合我们抽象的概念，越往高处的类，就越抽象，越往底层的类，就越有自己独特的个性。
- 实现了Deque接口，那么也就意味着LinkedList是双端队列的一种实现，所以，基于双端队列的操作在LinkedList中全部有效。
实现接口分析：
public class LinkedList<E>
extends AbstractSequentialList<E>
implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable
{1）List接口：列表，add、set、等一些对列表进行操作的方法
2）Deque接口：有队列的各种特性，
3）Cloneable接口：能够复制，使用那个copy方法。
4）Serializable接口：能够序列化。
5）应该注意到没有RandomAccess：那么就推荐使用iterator，在其中就有一个foreach，增强的for循环，其中原理也就是iterator，我们在使用的时候，使用foreach或者iterator都可以。
2.2、类的属性
public class LinkedList<E>
extends AbstractSequentialList<E>
implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable
{
transient int size = 0;//实际元素个数
transient Node<E> first;//头结点
transient Node<E> last;//尾结点LinkedList属性非常简单，一个头结点、一个尾结点、一个表示链表中实际元素的变量。注意，头尾结点都有transient关键字修饰，这也意味着在序列化时该域是不会序列化的。
2.3、LinkedList的构造方法
两个构造方法(两个构造方法都是规范规定需要写的）
1）空参构造函数
/**
* Constructs an empty list.
*/
public LinkedList() {
}2）有参构造函数
//将集合中的元素构建成LinkedList链表
public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
//调用无参构造函数
this();
//添加集合中所有的元素
addAll(c);
}2.4、内部类（Node）
//根据前面介绍双向链表就知道这个代表什么了，linkedList的奥秘就在这里
private static class Node<E> {
E item;//数据域（当前结点的值）
Node<E> next;//后继（指向当前结点的后一个结点）
Node<E> prev;//前驱（指向当前结点的前一个结点）
//构造函数，初始化值
Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
this.item = element;
this.next = next;
this.prev = prev;
}
}2.5、核心方法
2.5.1、add()方法
1）add(E)
public boolean add(E e) {
//添加到末尾
linkLast(e);
return true;
}说明：add函数用于向LinkedList中添加一个元素，并且添加到链表尾部。具体添加到尾部的逻辑是由linkLast函数完成的。
分析：LinkLast(XXXXX)
/**
* Links e as last element.
*/
void linkLast(E e) {
final Node<E> l = last;//临时结点保存last，也就是l指向了最后一个结点
final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);//将e封装为结点，并且e.prev指向了最后一个结点
last = newNode;//newNode成为最后一个结点，所以last指向了它
if (l == null)//判断是不是一开始链表中就什么都没有，如果没有，则newNode就成为了第一个结点，first和last都要指向它
first = newNode;
else//正常的在最后一个结点追加，那么原先的最后一个结点的next就要指向现在真正最后一个结点，原先的最后一个结点就变成了倒数第二个结点
l.next = newNode;
size++;//添加一个结点，size自增
modCount++;
}说明：对于添加一个元素至链表中会调用add方法->LinkLast方法
举例一：
LinkedList<Integer> lists = new LinkedList<Integer>();
lists.add(5);
lists.add(6);首先调用无参构造函数，之后添加元素5，之后再添加元素6。具体的示意图如下：
2.5.2、addAll方法
addAll有两个重载函数，addAll(Collection<? extends E>)型和addAll(int, Collection<? extends E>)型，我们平时习惯调用的addAll(Collection<? extends E>)型会转化为addAll(int, Collection<? extends E>)型。
1）addAll(c);
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
return addAll(size, c);
}public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
checkPositionIndex(index);
//将集合c转换为Object数组a
Object[] a = c.toArray();
int numNew = a.length;
if (numNew == 0)
//集合为空，则什么都不做，返回false
return false;
//定义两个结点（内部类），每个结点都有三个属性，item,next,prev.
Node<E> pred, succ;
//如果不指定添加结点位置，index=0,size=添加的结点个数，若结点个数为0，则succ=null,pred=last=null
//如果指定添加结点位置，且添加结点位置和要添加的结点size相等
if (index == size) {
succ = null;
pred = last;
} else {
succ = node(index);
pred = succ.prev;
}
//将遍历数组a中的元素，封装为一个个结点
for (Object o : a) {
@SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) o;
//pred就是之前构建好的，可能为null，也可能不为null
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;
}说明：参数中的index表示在索引下标为index的结点（实际上是第index + 1个结点）的前面插入。
在addAll函数中，addAll函数中还会调用到node函数，get函数也会调用到node函数，此函数是根据索引下标找到该结点并返回，具体代码如下：
Node<E> node(int index) {
// assert isElementIndex(index);
//判断插入的位置在链表的前半段或者后半段
if (index < (size >> 1)) {//插入位置在前半段
Node<E> x = first;
for (int i = 0; i < index; i++)//从头结点开始正向遍历
x = x.next;
return x;//返回该节点
//插入位置在后半段
} else {
Node<E> x = last;
for (int i = size - 1; i > index; i--)//从尾结点开始反向遍历
x = x.prev;
return x;//返回该结点
}
}说明：在根据索引查找结点时，会有一个小优化，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。
举例说明调用addAll函数后的链表状态：
List<Integer> lists = new LinkedList<Integer>();
lists.add(5);
lists.addAll(0, Arrays.asList(2, 3, 4, 5));上述代码内部的链表结构如下：
addAll()中的一个问题：
在addAll函数中，传入一个集合参数和插入位置，然后将集合转化为数组，然后再遍历数组，挨个添加数组的元素，但是问题来了，为什么要先转化为数组再进行遍历，而不是直接遍历集合呢？ 从效果上两者是完全等价的，都可以达到遍历的效果。关于为什么要转化为数组的问题，我的思考如下： 1. 如果直接遍历集合的话，那么在遍历过程中需要插入元素，在堆上分配内存空间，修改指针域，这个过程中就会一直占用着这个集合，考虑正确同步的话，其他线程只能一直等待。 2. 如果转化为数组，只需要遍历数组，而遍历数组过程中不需要额外的操作， 所以占用的时间相对是较短的，这样就利于其他线程尽快的使用这个集合。说白了，就是有利于提高多线程访问该集合的效率，尽可能短时间的阻塞。
2.5.3、remove(Object o)
//如果我们要移除的值在链表中存在多个一样的值，那么我们会移除index最小的那个，也就是最先找到的那个值，如果不存在这个值，那么什么也不做
public boolean remove(Object o) {
//这里可以知道，linkedList也能存储null
if (o == null) {
//循环遍历链表。直到找到null值，然后使用unlink移除该值。
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;
}unlink(xxxx)
E unlink(Node<E> x) {
// assert x != null;
//拿到结点x的三个属性
final E element = x.item;
final Node<E> next = x.next;
final Node<E> prev = x.prev;
//这里开始往下就进行移除该元素的操作，也就是把指向那个结点搞定
if (prev == null) {
//说明移除的结点是头结点，则first头结点应该指向下一个结点
first = next;
} else {
//不是头结点，prev.next=next:
prev.next = next;
//然后解除x结点的指向
x.prev = null;
}
if (next == null) {
//说明移除的结点是尾结点
last = prev;
} else {
//不是尾结点
next.prev = prev;
x.next = null;
}
//x的前后都指向为null，也把item为null，让gc回收它
x.item = null;
//移除一个结点，size自减
size--;
modCount++;
return element;//由于一开始保存了x的值到element，所以返回
}2.5.4、get(index)
get(index)查询元素的方法
public E get(int index) {
checkElementIndex(index);
return node(index).item;
}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;
}
}2.5.5、indexOf(Object o)
//这个很简单，就是通过实体元素来查找到该元素在链表中的位置
public int indexOf(Object o) {
int index = 0;
if (o == null) {
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
if (x.item == null)
return index;
index++;
}
} else {
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
if (o.equals(x.item))
return index;
index++;
}
}
return -1;
}三、LinkedList的迭代器
在LinkedList中除了有一个Node的内部类外，应该还能看到另外两个内部类，那就是ListItr，还有一个是DescendingIterator。
3.1、ListItr内部类
public ListIterator<E> listIterator(int index) {
checkPositionIndex(index);
return new ListItr(index);
}看一下他的继承结构，发现只继承了一个ListIterator，到ListIterator中一看：
看到方法名之后，就发现不止有向后迭代的方法，还有向前迭代的方法，所以我们就知道了这个ListItr这个内部类干嘛用的了，就是能让linkedList不光能像后迭代，也能向前迭代。
看一下ListItr中的方法，可以发现，在迭代的过程中，还能移除、修改、添加值得操作。
3.2、DescendingIterator内部类
private class DescendingIterator implements Iterator<E> {
private final ListItr itr = new ListItr(size());
public boolean hasNext() {
return itr.hasPrevious();
}
public E next() {
return itr.previous();
}
public void remove() {
itr.remove();
}
}看下这个类，还是调用ListItr，作用是封装一下Itr中几个方法，让使用者以正常的思维去写代码，例如，在从后往前遍历的时候，也是跟从前往后遍历一样，使用next等操作，而不使用previous。
微软面试题：
掌握LinkedList的特殊方法，用LinkedList实现字符串反转输出，实现字符串0到k 和k+1到2k反转，再合并输出
public class Linked001 {
public static void main(String[] args) {
String str="abcdefgh";
System.out.println("要反转的字符串："+str);
LinkedList<Character> list = new LinkedList<>();
for (int i = 0; i < (str.length()>>1); i++) {
char c=str.charAt(i);
list.addFirst(c);
}
System.out.println("list,0->k之间:"+list);
LinkedList<Character> list2 = new LinkedList<>();
for (int i = str.length()>>1; i < str.length(); i++) {
char c=str.charAt(i);
list2.addFirst(c);
}
System.out.println("list2，k+1->2k之间:"+list2);
list.addAll(list2);
System.out.println("合并后，2k:"+list);
String newStr="";
while (list.size()>0){
newStr+=list.removeFirst();
}
System.out.println("newStr:"+newStr);
}
}public void addFirst(E e) {
linkFirst(e);
}private void linkFirst(E e) {
//先记录first结点，若第一次添加，first=null，则f=null
final Node<E> f = first;
//创建一个新的结点，prev=null,item=e,next=f,若f=null.则结点为，[null，e,null],若f结点不为null,则[null,e,next]
final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
//first指向newNode
first = newNode;
//判断f是否为null,若是第一次添加则为null,否则不为null
if (f == null)
//last指向新结点
last = newNode;
else
//f的前结点，也就是第一个结点指向了新的结点
f.prev = newNode;
//链表长度加1
size++;
modCount++;
}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;
//获取第一个结点的值
final E element = f.item;
//获取第一个节点的下一个结点
final Node<E> next = f.next;
//将第一个结点的值置为null
f.item = null;
//将第一个结点的next指向null
f.next = null; // help GC
//first指向第一个要删除的结点的下一个结点
first = next;
//如果第一个结点的下一个结点为null，说明只有一个结点，则last指向null，删了这个结点就没了
if (next == null)
last = null;
else
//说明还有下一个结点，则下一个结点的前置置为null，说明这个结点是首结点
next.prev = null;
//链表长度减少1
size--;
modCount++;
//返回删除的第一个节点的值
return element;
}输出结果：
四、总结
1）linkedList本质上是一个双向链表，通过一个Node内部类实现的这种链表结构。 2）能存储null值 3）跟arrayList相比较，就真正的知道了，LinkedList在删除和增加等操作上性能好，而ArrayList在查询的性能上好 4）从源码中看，它不存在容量不足的情况 5）linkedList不光能够向前迭代，还能像后迭代，并且在迭代的过程中，可以修改值、添加值、还能移除值。 6）linkedList不光能当链表，还能当队列使用，这个就是因为实现了Deque接口