LinkedList源码解析

第一章 LinkedList介绍

1.1 引导语

LinkedList 集合底层是一个双向链表结构，具有增删快，查询慢的忒点,内部包含大量操作首尾元素的方法。适用于集合元素先入先出和先入后出的场景，在队列源码中被频繁使用。

1.2 整体架构

LinkedList 底层数据结构是一个双向链表，整体结构如下图所示：

上图代表了一个双向链表结构，可以通过前面的节点找到后面的节点,也可以通过后面的节点找到前面的节点

相关概念:

- Node: 代表链中的每个节，Node 的 prev 属性，代表前一个节点的地址，Node 的next 属性，代表后一个节点的地址；

- first :代表双向链表的头节点，它的前一个节点是 null。

- last: 代表双向链表的尾节点，它的后一个节点是 null；

- 如果链表中没有任何数据时，头节点first 和 尾节点last 是同一个节点，前后指向都是 null；

- 因为LinkedList集合是个双向链表，所以机器只要有足够强大的内存，对于LinkedList集合而言是没有大小限制的。

链表中的元素被称为Node， Node被定义成私有静态内部类,内容如下 ：

```java

private static class Node<E> {

E item;// 节点中存储的数据

Node<E> next; // 下一个节点的地址

Node<E> prev; // 前一个节点的地址

// 构造方法初始化参数顺序分别是：前一个节点的地址值、当前节点中存储的数据、后一个节点的地址值

Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {

this.item = element;

this.next = next;

this.prev = prev;

}

}

```

第二章 LinkedList 源码解析

2.1 添加（新增）节点

如果想在LinkedList集合中添加节点，我们把新加入的节点添加到链表头部，也可以把新加入的节点添加添加到链表尾部，add 方法默认是从尾部开始添加，addFirst 方法是从头部开始添加，下面分别来看下两种不同的添加方式：

**从尾部添加（add）**

```java

// 从尾部开始添加节点

void linkLast(E e) {

// 把尾节点数据暂存

final Node<E> l = last;

// 新建新的节点，初始化入参含义：

// l 是新节点的前一个节点，当前值是尾节点值

// e 表示当前新增节点，当前新增节点后一个节点是 null

final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);

// 新建节点添加到尾部

last = newNode;

//如果链表为空（l 是尾节点，尾节点为空，链表即空），头部和尾部是同一个节点，都是新建的节点

if (l == null)

first = newNode;

//否则把前尾节点的下一个节点，指向当前尾节点。

else

l.next = newNode;

size++;//集合元素数量增加1

modCount++;//实际修改次数增加1

}

```

从源码上来看，尾部添加节点比较简单.

**从头部添加（addFirst）**

```java

// 从头部添加

private void linkFirst(E e) {

// 头节点赋值给临时变量

final Node<E> f = first;

// 新建节点，前一个节点指向null，e 是新建节点，f 是新建节点的下一个节点，目前值是头节点的值

final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);

// 新建节点成为头节点

first = newNode;

// 头节点为空，就是链表为空，头尾节点是一个节点

if (f == null)

last = newNode;

//上一个头节点的前一个节点指向当前节点

else

f.prev = newNode;

size++;

modCount++;

}

```

头部添加节点和尾部添加节点非常类似，只是前者是移动头节点的 prev 指向，后者是移动尾节点的 next 指向。

2.2 删除节点

节点删除的方式和添加类似，我们可以选择从头部删除，也可以选择从尾部删除，删除操作会把节点的值，前后指向节点都置为 null，帮助 GC 进行回收。

**从头部删除**

```java

//从头删除节点 f 是链表头节点

private E unlinkFirst(Node<E> f) {

// 拿出头节点的值，作为方法的返回值

final E element = f.item;

// 拿出头节点的下一个节点

final Node<E> next = f.next;

//帮助 GC 回收头节点

f.item = null;

f.next = null;

// 头节点的下一个节点成为头节点

first = next;

//如果 next 为空，表明链表为空

if (next == null)

last = null;

//链表不为空，头节点的前一个节点指向 null

else

next.prev = null;

//修改链表大小和版本

size--;

modCount++;

return element;

}

```

从尾部删除节点的代码也是类似的，这里就不再详细解释了。

**从源码中我们可以了解到，链表结构的节点新增、删除都非常简单，仅仅把前后节点的指向修改下就好了，所以 LinkedList 新增和删除速度很快。**

2.3 查询节点

在链表查询某一个节点是比较慢的，因为需要挨个循环查找才行，我们看看 LinkedList 的源码是如何寻找节点的：

```java

// 根据链表索引位置查询节点

Node<E> node(int index) {

// 如果 index 处于队列的前半部分，从头开始找，size >> 1 是 size 除以 2 的意思。

if (index < (size >> 1)) {

Node<E> x = first;

// 直到 for 循环到 index 的前一个 node 停止

for (int i = 0; i < index; i++)

x = x.next;

return x;

} else {// 如果 index 处于队列的后半部分，从尾开始找

Node<E> x = last;

// 直到 for 循环到 index 的后一个 node 停止

for (int i = size - 1; i > index; i--)

x = x.prev;

return x;

}

}

```

从源码中我们可以发现，LinkedList 并没有采用从头循环到尾的做法，而是采取了简单二分法，首先看看 index 是在链表的前半部分，还是后半部分。如果是前半部分，就从头开始寻找，反之亦然。通过这种方式，使循环的次数至少降低了一半，提高了查找的性能，这种思想值得我们借鉴。

2.4 迭代器

因为 LinkedList 要实现双向的迭代访问，所以我们使用 Iterator 接口肯定不行了，因为 Iterator 只支持从头到尾的访问。Java 新增了一个迭代接口，叫做：ListIterator，这个接口提供了向前和向后的迭代方法，如下所示：

| 迭代顺序 | 方法 |

| ---------------- | ------------------------------------ |

| 从尾到头迭代方法 | hasPrevious、previous、previousIndex |

| 从头到尾迭代方法 | hasNext、next、nextIndex |

LinkedList 实现了 ListIterator 接口，如下图所示：

```java

// 双向迭代器

private class ListItr implements ListIterator<E> {

private Node<E> lastReturned;//上一次执行 next() 或者 previos() 方法时的节点位置

private Node<E> next;//下一个节点

private int nextIndex;//下一个节点的位置

//expectedModCount：期望版本号；modCount：目前最新版本号

private int expectedModCount = modCount;

…………

}

```

我们先来看下从头到尾方向的迭代：

```java

// 判断还有没有下一个元素

public boolean hasNext() {

return nextIndex < size;// 下一个节点的索引小于链表的大小，就有

}

// 取下一个元素

public E next() {

//检查期望版本号有无发生变化

checkForComodification();

if (!hasNext())//再次检查

throw new NoSuchElementException();

// next 是当前节点，在上一次执行 next() 方法时被赋值的。

// 第一次执行时，是在初始化迭代器的时候，next 被赋值的

lastReturned = next;

// next 是下一个节点了，为下次迭代做准备

next = next.next;

nextIndex++;

return lastReturned.item;

}

```

上述源码的思路就是直接取当前节点的下一个节点，而从尾到头迭代稍微复杂一点，如下：

```java

// 如果上次节点索引位置大于 0，就还有节点可以迭代

public boolean hasPrevious() {

return nextIndex > 0;

}

// 取前一个节点

public E previous() {

checkForComodification();

if (!hasPrevious())

throw new NoSuchElementException();

// next 为空场景：1:说明是第一次迭代，取尾节点(last);2:上一次操作把尾节点删除掉了

// next 不为空场景：说明已经发生过迭代了，直接取前一个节点即可(next.prev)

lastReturned = next = (next == null) ? last : next.prev;

// 索引位置变化

nextIndex--;

return lastReturned.item;

}

```

这里复杂点体现在需要判断 next 不为空和为空的场景，代码注释中有详细的描述。

**迭代器删除**

LinkedList 在删除元素时，也推荐通过迭代器进行删除，删除过程如下：

```java

public void remove() {

checkForComodification();

// lastReturned 是本次迭代需要删除的值，分以下空和非空两种情况：

// lastReturned 为空，说明调用者没有主动执行过 next() 或者 previos()，直接报错

// lastReturned 不为空，是在上次执行 next() 或者 previos()方法时赋的值

if (lastReturned == null)

throw new IllegalStateException();

Node<E> lastNext = lastReturned.next;

//删除当前节点

unlink(lastReturned);

// next == lastReturned 的场景分析：从尾到头递归顺序，并且是第一次迭代，并且要删除最后一个元素的情况下

// 这种情况下，previous() 方法里面设置了 lastReturned = next = last,所以 next 和 lastReturned会相等

if (next == lastReturned)

// 这时候 lastReturned 是尾节点，lastNext 是 null，所以 next 也是 null，这样在 previous() 执行时，发现 next 是 null，就会把尾节点赋值给 next

next = lastNext;

else

nextIndex--;

lastReturned = null;

expectedModCount++;

}

```

总结

LinkedList 适用于要求有顺序、并且会按照顺序进行迭代的场景，主要是依赖于底层的链表结构，在面试中的频率还是蛮高的，相信理清楚上面的源码后，应对面试应该没有问题。