Java集合详解（三）：LinkedList原理解析

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Java集合详解（三）：LinkedList原理解析

概述

　　本文是基于jdk8_271源码进行分析的。

　　LinkedList底层是基于链表实现。链表没有长度限制，内存地址不需要固定长度，也不需要是连续的地址来进行存储，只需要通过引用来关联前后元素即可完成整个链表的连续。所以链表的优点就是添加删除元素比较快，只需要移动指针，并且不需要判断扩容。缺点就是因为没有索引，所以在查询和遍历元素时候比较慢。

　　使用场景：在增删操作使用较多，查询遍历操作使用较少情况下比较适合去使用；例如：拿来当栈使用。

数据结构

继承实现关系

1 public class LinkedList<E>
2     extends AbstractSequentialList<E>
3     implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable

AbstractSequentialList ：本质上面与继承 AbstractList 没有什么区别，AbstractSequentialList 完善了 AbstractList 中没有实现的方法。
List：实现List接口。
Deque：实现Deque队列接口，拥有作为双端队列（队列和栈）的功能。
Cloneable：重写clone()方法，通过创建新的LinkedList 对象，遍历拷贝数据进行对象拷贝。
Serializable：重写read/writeObject() 方法实现序列化。

静态内部类

　　为什么Node这个类是静态的？答案是：这跟内存泄露有关，Node类是在LinkedList类中的，也就是一个内部类，若不使用static修饰，那么Node就是一个普通的内部类，在java中，一个普通内部类在实例化之后，默认会持有外部类的引用，这就有可能造成内存泄露（内部类与外部类生命周期不一致时）。但使用static修饰过的内部类（称为静态内部类），就不会有这种问题。

　　非静态内部类会自动生成一个构造器依赖于外部类：也是内部类可以访问外部类的实例变量的原因。

　　静态内部类不会生成，访问不了外部类的实例变量，只能访问类变量。

 1     private static class Node<E> {
 2         E item;
 3         Node<E> next;    // 后继节点
 4         Node<E> prev;    // 前置节点
 5 
 6         Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
 7             this.item = element;
 8             this.next = next;
 9             this.prev = prev;
10         }
11     }

基本属性

1     // 元素数量
2     transient int size = 0;
3     // 头结点
4     transient Node<E> first;
5     // 尾节点
6     transient Node<E> last;

构造方法

1     public LinkedList() {
2     }
3 
4     public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
5         this();
6         addAll(c);
7     }

主要方法解析

获取元素

　　peek()：队列的查，获取队头元素。

 1     public E get(int index) {    // 根据索引获取
 2         checkElementIndex(index);
 3         return node(index).item;
 4     }
 5     Node<E> node(int index) {
 6         // assert isElementIndex(index);
 7         // 利用二分法查找；小于中间数从头结点开始找，否则从尾节点开始找
 8         if (index < (size >> 1)) {
 9             Node<E> x = first;
10             for (int i = 0; i < index; i++)
11                 x = x.next;
12             return x;
13         } else {
14             Node<E> x = last;
15             for (int i = size - 1; i > index; i--)
16                 x = x.prev;
17             return x;
18         }
19     }
20     // 获取队头元素 ，但是不删除队列的头元素（双端队列Deque中的方法）
21     public E getFirst() {
22         final Node<E> f = first;
23         if (f == null)
24             throw new NoSuchElementException();
25         return f.item;
26     }
27     // 获取队尾元素，但是不删除队列的尾元素（实现双端队列Deque中的方法）
28     public E getLast() {
29         final Node<E> l = last;
30         if (l == null)
31             throw new NoSuchElementException();
32         return l.item;
33     }
34 
35     // 队列的查。获取队头元素。
36     public E peek() {
37         final Node<E> f = first;
38         return (f == null) ? null : f.item;
39     }

添加元素

　　offer()：队列的增，添加队尾元素，底层实现是调用add()->linkLast()。

　　push()：栈的增，把元素压入栈中，添加对头元素，底层实现是调用addFirst()->linkFirst()。

 1     // 添加元素，默认在链表尾部添加
 2     public boolean add(E e) {
 3         linkLast(e);
 4         return true;
 5     }
 6     // 指定索引添加元素
 7     public void add(int index, E element) {
 8         checkPositionIndex(index);  // 检验下标是否越界
 9 
10         if (index == size)  // 如果要插入的索引等于现有元素长度，说明是要在尾部插入元素
11             linkLast(element);
12         else    // 否则，获取该索引节点，在该节点之前插入元素
13             linkBefore(element, node(index));
14     }
15 
16     public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
17         return addAll(size, c);
18     }
19     public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
20         checkPositionIndex(index);  // 检验下标是否越界
21 
22         Object[] a = c.toArray();
23         int numNew = a.length;
24         if (numNew == 0)
25             return false;
26 
27         // pred:前置节点，在该节点之后插入元素。succ：该索引位节点。
28         Node<E> pred, succ;
29         if (index == size) {
30             succ = null;
31             pred = last;
32         } else {
33             succ = node(index);
34             pred = succ.prev;
35         }
36         // 将数组设置为链表
37         for (Object o : a) {
38             @SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) o;
39             Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, null);    // 新建一个节点，指向前置节点
40             if (pred == null)   // 如果前置节点为空，说明该链表为空。将头节点指向当前节点
41                 first = newNode;
42             else    // 前置节点的后继节点指向当前节点
43                 pred.next = newNode;
44             pred = newNode; // 将当前节点设置为前置节点，供后面需要插入的节点使用
45         }
46 
47         if (succ == null) {
48             last = pred;
49         } else {
50             pred.next = succ;
51             succ.prev = pred;
52         }
53 
54         size += numNew;
55         modCount++;
56         return true;
57     }
58 
59     // 添加元素到头结点（实现双端队列Deque中的方法）
60     public void addFirst(E e) {
61         linkFirst(e);
62     }
63     private void linkFirst(E e) {
64         final Node<E> f = first;    // 原头节点
65         final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f); // 新建一个节点，要添加的元素
66         first = newNode;    // 将头结点指向该新建的节点
67         if (f == null)  // 如果原头结点为空，说明原链表为空。这是添加的第一个元素，将尾结点也指向该新建的节点
68             last = newNode;
69         else    // 如果原头结点不为空，则将原头结点的前置节点指向该新建的节点
70             f.prev = newNode;
71         size++; // 元素数量+1
72         modCount++; // 修改次数+1
73     }
74     // 添加元素到尾结点（实现双端队列Deque中的方法）
75     public void addLast(E e) {
76         linkLast(e);
77     }
78     void linkLast(E e) {
79         final Node<E> l = last; // 原尾结点
80         final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null); // 新建一个节点，要添加的元素
81         last = newNode; // 将尾结点指向该新建的节点
82         if (l == null)  // 如果尾头结点为空，说明原链表为空。这是添加的第一个元素，将头结点也指向该新建的节点
83             first = newNode;
84         else    // 如果原尾结点不为空，则将原尾结点的后继节点指向该新建的节点
85             l.next = newNode;
86         size++; // 元素数量+1
87         modCount++; // 修改次数+1
88     }
89 
90     // 队列的添加方法
91     public boolean offer(E e) {
92         return add(e);
93     }
94 
95     // 栈的添加方法
96     public void push(E e) {
97         addFirst(e);
98     }

删除元素

　　poll()：队列的删，获取对头元素并且对头元素删除。

　　pop()：栈的删，返回的是栈顶元素并将栈顶元素删除。

 1     public boolean remove(Object o) {
 2         if (o == null) {
 3             for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
 4                 if (x.item == null) {
 5                     unlink(x);
 6                     return true;
 7                 }
 8             }
 9         } else {
10             for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
11                 if (o.equals(x.item)) {
12                     unlink(x);
13                     return true;
14                 }
15             }
16         }
17         return false;
18     }
19     public E remove(int index) {
20         checkElementIndex(index);
21         return unlink(node(index));
22     }
23     // 将该节点前置节点的下一个节点指向该节点后继节点，将该节点后继节点的上一个节点指向该节点前置节点。并将该节点置为空
24     E unlink(Node<E> x) {
25         // assert x != null;
26         final E element = x.item;
27         final Node<E> next = x.next;
28         final Node<E> prev = x.prev;
29 
30         if (prev == null) {
31             first = next;
32         } else {
33             prev.next = next;
34             x.prev = null;
35         }
36 
37         if (next == null) {
38             last = prev;
39         } else {
40             next.prev = prev;
41             x.next = null;
42         }
43 
44         x.item = null;
45         size--;
46         modCount++;
47         return element;
48     }
49     // 将头结点的下一个节点设置为新的头结点，并将原头节点置为空
50     private E unlinkFirst(Node<E> f) {
51         // assert f == first && f != null;
52         final E element = f.item;
53         final Node<E> next = f.next;
54         f.item = null;
55         f.next = null; // help GC
56         first = next;
57         if (next == null)
58             last = null;
59         else
60             next.prev = null;
61         size--;
62         modCount++;
63         return element;
64     }
65 
66     // 将尾结点的上一个节点设置为新的尾结点，并将原尾节点置为空
67     private E unlinkLast(Node<E> l) {
68         // assert l == last && l != null;
69         final E element = l.item;
70         final Node<E> prev = l.prev;
71         l.item = null;
72         l.prev = null; // help GC
73         last = prev;
74         if (prev == null)
75             first = null;
76         else
77             prev.next = null;
78         size--;
79         modCount++;
80         return element;
81     }
82 
83     public E remove() {
84         return removeFirst();
85     }
86 
87     // 队列的删除方法
88     public E poll() {
89         final Node<E> f = first;
90         return (f == null) ? null : unlinkFirst(f);
91     }
92     // 栈的删除方法
93     public E pop() {
94         return removeFirst();
95     }