LinkedList源码解析
简介
LinkedList是一个实现了List接口和Deque接口的双端链表。LinkedList底层的链表结构使它支持高效的插入和删除操作，另外它实现了Deque接口，使得LinkedList类也具有队列的特性; LinkedList不是线程安全的，如果想使LinkedList变成线程安全的，可以调用静态类Collections类中的synchronizedList方法：
List list=Collections.synchronizedList(new LinkedList(...));
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。
内部结构分析
public class LinkedList {
// 元素个数
transient int size = 0;
/**
* 指向第一个节点的指针
* 不变性:
* 1. 如果first = null，则last=null
* 2. 如果first.prev == null，则first.item != null
*/
transient Node<E> first;
/**
* 指向最后一个节点的指针
* 不变性:
* 1. 如果first = null，则last = null
* 2. 如果last.next == null，则last.item != null
*/
transient Node<E> last;
private static class Node<E> {
E item;
Node<E> next; // 下一个Node的引用
Node<E> prev; // 上一个Node的引用
Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
this.item = element;
this.next = next;
this.prev = prev;
}
}
/**
* 创建一个空list
*/
public LinkedList() {
}
public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
this();
addAll(c);
}
}
LinkedList内部结构
private static class Node<E> {
E item;//节点值
Node<E> next;//后继节点
Node<E> prev;//前驱节点
Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
this.item = element;
this.next = next;
this.prev = prev;
}
}
这个类就代表双端链表的节点Node。这个类有三个属性，分别是前驱节点，本节点的值，后继结点。
LinkedList源码分析
构造方法
public LinkedList() {
}
public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
this();
addAll(c);
}
add方法
add(E e) 方法：将元素添加到链表尾部
public boolean add(E e) {
linkLast(e);//这里就只调用了这一个方法
return true;
}
/**
* 链接使e作为最后一个元素。
*/
void linkLast(E e) {
final Node<E> l = last;
final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
last = newNode;//新建节点
if (l == null)
first = newNode;
else
l.next = newNode;//指向后继元素也就是指向下一个元素
size++;
modCount++;
}
add(int index,E e)：在指定位置添加元素
public void add(int index, E element) {
checkPositionIndex(index); //检查索引是否处于[0-size]之间
if (index == size)//添加在链表尾部
linkLast(element);
else//添加在链表中间
linkBefore(element, node(index));
}
linkBefore方法需要给定两个参数，一个插入节点的值，一个指定的node，所以我们又调用了Node(index)去找到index对应的node
addAll(Collection c )：将集合插入到链表尾部
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
return addAll(size, c);
}
addAll(int index, Collection c)：将集合从指定位置开始插入
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
//1:检查index范围是否在size之内
checkPositionIndex(index);
//2:toArray()方法把集合的数据存到对象数组中
Object[] a = c.toArray();
int numNew = a.length;
if (numNew == 0)
return false;
//3：得到插入位置的前驱节点和后继节点
Node<E> pred, succ;
//如果插入位置为尾部，前驱节点为last，后继节点为null
if (index == size) {
succ = null;
pred = last;
}
//否则，调用node()方法得到后继节点，再得到前驱节点
else {
succ = node(index);
pred = succ.prev;
}
// 4：遍历数据将数据插入
for (Object o : a) {
@SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) o;
//创建新节点
Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, null);
//如果插入位置在链表头部
if (pred == null)
first = newNode;
else
pred.next = newNode;
pred = newNode;
}
//如果插入位置在尾部，重置last节点
if (succ == null) {
last = pred;
}
//否则，将插入的链表与先前链表连接起来
else {
pred.next = succ;
succ.prev = pred;
}
size += numNew;
modCount++;
return true;
}
上面可以看出addAll方法通常包括下面四个步骤：
- 检查index范围是否在size之内
- toArray()方法把集合的数据存到对象数组中
- 得到插入位置的前驱和后继节点
- 遍历数据，将数据插入到指定位置
addFirst(E e)：将元素添加到链表头部
public void addFirst(E e) {
linkFirst(e);
}
private void linkFirst(E e) {
final Node<E> f = first;
final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);//新建节点，以头节点为后继节点
first = newNode;
//如果链表为空，last节点也指向该节点
if (f == null)
last = newNode;
//否则，将头节点的前驱指针指向新节点，也就是指向前一个元素
else
f.prev = newNode;
size++;
modCount++;
}
addLast(E e)：将元素添加到链表尾部，与 add(E e) 方法一样
public void addLast(E e) {
linkLast(e);
}
根据位置取数据的方法
get(int index)：根据指定索引返回数据
public E get(int index) {
//检查index范围是否在size之内
checkElementIndex(index);
//调用Node(index)去找到index对应的node然后返回它的值
return node(index).item;
}
获取头节点（index=0）数据方法:
public E getFirst() {
final Node<E> f = first;
if (f == null)
throw new NoSuchElementException();
return f.item;
}
public E element() {
return getFirst();
}
public E peek() {
final Node<E> f = first;
return (f == null) ? null : f.item;
}
public E peekFirst() {
final Node<E> f = first;
return (f == null) ? null : f.item;
}
区别：getFirst(),element(),peek(),peekFirst() 这四个获取头结点方法的区别在于对链表为空时的处理，是抛出异常还是返回null，其中getFirst() 和element() 方法将会在链表为空时，抛出异常
element()方法的内部就是使用getFirst()实现的。它们会在链表为空时，抛出NoSuchElementException
获取尾节点数据方法:
public E getLast() {
final Node<E> l = last;
if (l == null)
throw new NoSuchElementException();
return l.item;
}
public E peekLast() {
final Node<E> l = last;
return (l == null) ? null : l.item;
}
根据对象得到索引的方法
int indexOf(Object o)：从头遍历找
public int indexOf(Object o) {
int index = 0;
if (o == null) {
//从头遍历
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
if (x.item == null)
return index;
index++;
}
} else {
//从头遍历
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
if (o.equals(x.item))
return index;
index++;
}
}
return -1;
}
int lastIndexOf(Object o)：从尾遍历找
public int lastIndexOf(Object o) {
int index = size;
if (o == null) {
//从尾遍历
for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) {
index--;
if (x.item == null)
return index;
}
} else {
//从尾遍历
for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) {
index--;
if (o.equals(x.item))
return index;
}
}
return -1;
}
检查链表是否包含某对象的方法：
contains(Object o)：检查对象o是否存在于链表中
public boolean contains(Object o) {
return indexOf(o) != -1;
}
删除方法
remove() ,removeFirst(),pop(): 删除头节点
public E pop() {
return removeFirst();
}
public E remove() {
return removeFirst();
}
public E removeFirst() {
final Node<E> f = first;
if (f == null)
throw new NoSuchElementException();
return unlinkFirst(f);
}
removeLast(),pollLast(): 删除尾节点
public E removeLast() {
final Node<E> l = last;
if (l == null)
throw new NoSuchElementException();
return unlinkLast(l);
}
public E pollLast() {
final Node<E> l = last;
return (l == null) ? null : unlinkLast(l);
}
区别：removeLast()在链表为空时将抛出NoSuchElementException，而pollLast()方法返回null。
remove(Object o): 删除指定元素
public boolean remove(Object o) {
//如果删除对象为null
if (o == null) {
//从头开始遍历
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
//找到元素
if (x.item == null) {
//从链表中移除找到的元素
unlink(x);
return true;
}
}
} else {
//从头开始遍历
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
//找到元素
if (o.equals(x.item)) {
//从链表中移除找到的元素
unlink(x);
return true;
}
}
}
return false;
}
当删除指定对象时，只需调用remove(Object o)即可，不过该方法一次只会删除一个匹配的对象，如果删除了匹配对象，返回true，否则false。
unlink(Node x) 方法：
E unlink(Node<E> x) {
// assert x != null;
final E element = x.item;
final Node<E> next = x.next;//得到后继节点
final Node<E> prev = x.prev;//得到前驱节点
//删除前驱指针
if (prev == null) {
first = next;//如果删除的节点是头节点,令头节点指向该节点的后继节点
} else {
prev.next = next;//将前驱节点的后继节点指向后继节点
x.prev = null;
}
//删除后继指针
if (next == null) {
last = prev;//如果删除的节点是尾节点,令尾节点指向该节点的前驱节点
} else {
next.prev = prev;
x.next = null;
}
x.item = null;
size--;
modCount++;
return element;
}
remove(int index)：删除指定位置的元素
public E remove(int index) {
//检查index范围
checkElementIndex(index);
//将节点删除
return unlink(node(index));
}
LinkedList类常用方法测试
package list;
import java.util.Iterator;
import java.util.LinkedList;
public class LinkedListDemo {
public static void main(String[] srgs) {
//创建存放int类型的linkedList
LinkedList<Integer> linkedList = new LinkedList<>();
/************************** linkedList的基本操作 ************************/
linkedList.addFirst(0); // 添加元素到列表开头
linkedList.add(1); // 在列表结尾添加元素
linkedList.add(2, 2); // 在指定位置添加元素
linkedList.addLast(3); // 添加元素到列表结尾
System.out.println("LinkedList（直接输出的）: " + linkedList);
System.out.println("getFirst()获得第一个元素: " + linkedList.getFirst()); // 返回此列表的第一个元素
System.out.println("getLast()获得第最后一个元素: " + linkedList.getLast()); // 返回此列表的最后一个元素
System.out.println("removeFirst()删除第一个元素并返回: " + linkedList.removeFirst()); // 移除并返回此列表的第一个元素
System.out.println("removeLast()删除最后一个元素并返回: " + linkedList.removeLast()); // 移除并返回此列表的最后一个元素
System.out.println("After remove:" + linkedList);
System.out.println("contains()方法判断列表是否包含1这个元素:" + linkedList.contains(1)); // 判断此列表包含指定元素，如果是，则返回true
System.out.println("该linkedList的大小 : " + linkedList.size()); // 返回此列表的元素个数
/************************** 位置访问操作 ************************/
System.out.println("-----------------------------------------");
linkedList.set(1, 3); // 将此列表中指定位置的元素替换为指定的元素
System.out.println("After set(1, 3):" + linkedList);
System.out.println("get(1)获得指定位置（这里为1）的元素: " + linkedList.get(1)); // 返回此列表中指定位置处的元素
/************************** Search操作 ************************/
System.out.println("-----------------------------------------");
linkedList.add(3);
System.out.println("indexOf(3): " + linkedList.indexOf(3)); // 返回此列表中首次出现的指定元素的索引
System.out.println("lastIndexOf(3): " + linkedList.lastIndexOf(3));// 返回此列表中最后出现的指定元素的索引
/************************** Queue操作 ************************/
System.out.println("-----------------------------------------");
System.out.println("peek(): " + linkedList.peek()); // 获取但不移除此列表的头
System.out.println("element(): " + linkedList.element()); // 获取但不移除此列表的头
linkedList.poll(); // 获取并移除此列表的头
System.out.println("After poll():" + linkedList);
linkedList.remove();
System.out.println("After remove():" + linkedList); // 获取并移除此列表的头
linkedList.offer(4);
System.out.println("After offer(4):" + linkedList); // 将指定元素添加到此列表的末尾
/************************** Deque操作 ************************/
System.out.println("-----------------------------------------");
linkedList.offerFirst(2); // 在此列表的开头插入指定的元素
System.out.println("After offerFirst(2):" + linkedList);
linkedList.offerLast(5); // 在此列表末尾插入指定的元素
System.out.println("After offerLast(5):" + linkedList);
System.out.println("peekFirst(): " + linkedList.peekFirst()); // 获取但不移除此列表的第一个元素
System.out.println("peekLast(): " + linkedList.peekLast()); // 获取但不移除此列表的第一个元素
linkedList.pollFirst(); // 获取并移除此列表的第一个元素
System.out.println("After pollFirst():" + linkedList);
linkedList.pollLast(); // 获取并移除此列表的最后一个元素
System.out.println("After pollLast():" + linkedList);
linkedList.push(2); // 将元素推入此列表所表示的堆栈（插入到列表的头）
System.out.println("After push(2):" + linkedList);
linkedList.pop(); // 从此列表所表示的堆栈处弹出一个元素（获取并移除列表第一个元素）
System.out.println("After pop():" + linkedList);
linkedList.add(3);
linkedList.removeFirstOccurrence(3); // 从此列表中移除第一次出现的指定元素（从头部到尾部遍历列表）
System.out.println("After removeFirstOccurrence(3):" + linkedList);
linkedList.removeLastOccurrence(3); // 从此列表中移除最后一次出现的指定元素（从尾部到头部遍历列表）
System.out.println("After removeFirstOccurrence(3):" + linkedList);
/************************** 遍历操作 ************************/
System.out.println("-----------------------------------------");
linkedList.clear();
for (int i = 0; i < 100000; i++) {
linkedList.add(i);
}
// 迭代器遍历
long start = System.currentTimeMillis();
Iterator<Integer> iterator = linkedList.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
iterator.next();
}
long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("Iterator：" + (end - start) + " ms");
// 顺序遍历(随机遍历)
start = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < linkedList.size(); i++) {
linkedList.get(i);
}
end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("for：" + (end - start) + " ms");
// 另一种for循环遍历
start = System.currentTimeMillis();
for (Integer i : linkedList)
;
end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("for2：" + (end - start) + " ms");
// 通过pollFirst()或pollLast()来遍历LinkedList
LinkedList<Integer> temp1 = new LinkedList<>();
temp1.addAll(linkedList);
start = System.currentTimeMillis();
while (temp1.size() != 0) {
temp1.pollFirst();
}
end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("pollFirst()或pollLast()：" + (end - start) + " ms");
// 通过removeFirst()或removeLast()来遍历LinkedList
LinkedList<Integer> temp2 = new LinkedList<>();
temp2.addAll(linkedList);
start = System.currentTimeMillis();
while (temp2.size() != 0) {
temp2.removeFirst();
}
end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("removeFirst()或removeLast()：" + (end - start) + " ms");
}
}
LinkedList遍历
我们主要列举一下三种常用的遍历方式，普通for循环，增强for循环，Iterator迭代器。
public static void main(String[] args) {
LinkedList<Integer> list = getLinkedList();
//通过快速随机访问遍历LinkedList
listByNormalFor(list);
//通过增强for循环遍历LinkedList
listByStrengThenFor(list);
//通过快迭代器遍历LinkedList
listByIterator(list);
}
/**
* 构建一个LinkedList集合,包含元素50000个
* @return
*/
private static LinkedList<Integer> getLinkedList() {
LinkedList list = new LinkedList();
for (int i = 0; i < 50000; i++){
list.add(i);
}
return list;
}
/**
* 通过快速随机访问遍历LinkedList
*/
private static void listByNormalFor(LinkedList<Integer> list) {
// 记录开始时间
long start = System.currentTimeMillis();
int size = list.size();
for (int i = 0; i < size; i++) {
list.get(i);
}
// 记录用时
long interval = System.currentTimeMillis() - start;
System.out.println("listByNormalFor：" + interval + " ms");
}
/**
* 通过增强for循环遍历LinkedList
* @param list
*/
public static void listByStrengThenFor(LinkedList<Integer> list){
// 记录开始时间
long start = System.currentTimeMillis();
for (Integer i : list) { }
// 记录用时
long interval = System.currentTimeMillis() - start;
System.out.println("listByStrengThenFor：" + interval + " ms");
}
/**
* 通过快迭代器遍历LinkedList
*/
private static void listByIterator(LinkedList<Integer> list) {
// 记录开始时间
long start = System.currentTimeMillis();
for(Iterator iter = list.iterator(); iter.hasNext();) {
iter.next();
}
// 记录用时
long interval = System.currentTimeMillis() - start;
System.out.println("listByIterator：" + interval + " ms");
}
// 执行结果如下：
listByNormalFor：1067 ms
listByStrengThenFor：3 ms
listByIterator：2 ms
通过普通for循环随机访问的方式执行时间远远大于迭代器访问方式，这个我们可以理解，在前面的get(int index)方法中已经有过说明，那么为什么增强for循环能做到迭代器遍历差不多的效率？
通过反编译工具后得到如下代码
public static void listByStrengThenFor(LinkedList<Integer> list)
{
long start = System.currentTimeMillis();
Integer localInteger;
for (Iterator localIterator = list.iterator(); localIterator.hasNext();
localInteger = (Integer)localIterator.next()) {}
long interval = System.currentTimeMillis() - start;
System.out.println("listByStrengThenFor：" + interval + " ms");
}
很明显了，增强for循环遍历时也调用了迭代器Iterator，不过多了一个赋值的过程。还有类似于pollFirst()，pollLast()取值后删除的方法也能达到部分的遍历效果。
清除数据clear()
public void clear() {
Entry<E> e = header.next;
// e可以理解为一个移动的“指针”，因为是循环链表，所以回到header的时候说明已经没有节点了
while (e != header) {
// 保留e的下一个节点的引用
Entry<E> next = e.next;
// 解除节点e对前后节点的引用
e.next = e.previous = null;
// 将节点e的内容置空
e.element = null;
// 将e移动到下一个节点
e = next;
}
// 将header构造成一个循环链表，同构造方法构造一个空的LinkedList
header.next = header.previous = header;
// 修改size
size = 0;
modCount++;
}
数据包含 contains(Object o)
public boolean contains(Object o) {
return indexOf(o) != -1;
}
// 从前向后查找，返回“值为对象(o)的节点对应的索引” 不存在就返回-1
public int indexOf(Object o) {
int index = 0;
if (o==null) {
for (Entry e = header.next; e != header; e = e.next) {
if (e.element==null)
return index;
index++;
}
} else {
for (Entry e = header.next; e != header; e = e.next) {
if (o.equals(e.element))
return index;
index++;
}
}
return -1;
}
数据复制clone()与toArray()
public Object clone() {
LinkedList<E> clone = null;
try {
clone = (LinkedList<E>) super.clone();
} catch (CloneNotSupportedException e) {
throw new InternalError();
}
clone.header = new Entry<E>(null, null, null);
clone.header.next = clone.header.previous = clone.header;
clone.size = 0;
clone.modCount = 0;
for (Entry<E> e = header.next; e != header; e = e.next)
clone.add(e.element);
return clone;
}
调用父类的clone()方法初始化对象链表clone，将clone构造成一个空的双向循环链表，之后将header的下一个节点开始将逐个节点添加到clone中。最后返回克隆的clone对象。
toArray()
public Object[] toArray() {
Object[] result = new Object[size];
int i = 0;
for (Entry<E> e = header.next; e != header; e = e.next)
result[i++] = e.element;
return result;
}
创建大小和LinkedList相等的数组result，遍历链表，将每个节点的元素element复制到数组中，返回数组。
toArray(T[] a)
public <T> T[] toArray(T[] a) {
if (a.length < size)
a = (T[])java.lang.reflect.Array.newInstance(
a.getClass().getComponentType(), size);
int i = 0;
Object[] result = a;
for (Entry<E> e = header.next; e != header; e = e.next)
result[i++] = e.element;
if (a.length > size)
a[size] = null;
return a;
}
先判断出入的数组a的大小是否足够，若大小不够则拓展。这里用到了发射的方法，重新实例化了一个大小为size的数组。之后将数组a赋值给数组result，遍历链表向result中添加的元素。最后判断数组a的长度是否大于size，若大于则将size位置的内容设置为null。返回a。
从代码中可以看出，数组a的length小于等于size时，a中所有元素被覆盖，被拓展来的空间存储的内容都是null；若数组a的length的length大于size，则0至size-1位置的内容被覆盖，size位置的元素被设置为null，size之后的元素不变。
LinkedList总结
顺序插入速度ArrayList会比较快，因为ArrayList是基于数组实现的，数组是事先new好的，只要往指定位置 塞一个数据就好了。
LinkedList则不同，每次顺序插入的时候LinkedList将new一个对象出来，如果对象比较大，那么new的时间 势必会长一点，再加上一些引用赋值的操作，所以顺序插入LinkedList必然慢于ArrayList。
ArrayList的遍历效率会比LinkedList的遍历效率高一些。
LinkedList做插入、删除的时候，慢在寻址，快在只需要改变前后Node的引用地址。ArrayList做插入、删除的时候，慢在数组元素的批量copy，快在寻址。
如果确定插入、删除的元素是在前半段，那么就使用LinkedList。
如果确定插入、删除的元素在比较靠后的位置，那么可以考虑使用ArrayList。
如果不能确定插入、删除是在哪儿呢？建议使用LinkedList，一来LinkedList整体插入、删除的执行效率比较稳定，没有ArrayList这种越往后越快的情况。二来插入元素的时候，弄得不好ArrayList就要进行一次扩容，而ArrayList底层数组扩容是一个既消 耗时间又消耗空间的操作。本文参与 腾讯云自媒体分享计划，分享自微信公众号。
原始发表：2021-01-27，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除
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