LinkedList 的底层原理

以下是 LinkedList 的底层原理的详细解析,结合其双向链表实现、节点结构、核心操作及性能特点:


一、底层数据结构:双向链表

LinkedList 的底层基于 双向链表(Doubly Linked List)实现,每个节点包含三个核心属性:
item:存储当前节点的数据。
next:指向下一个节点的引用。
prev:指向前一个节点的引用。

双向链表结构示意图

头节点 (first) ↔ 节点A ↔ 节点B ↔ ... ↔ 尾节点 (last)

头尾指针:通过 firstlast 两个指针分别指向链表的首尾节点,支持快速访问两端元素。
动态扩展:无需预先分配固定内存空间,节点按需动态创建和链接。


二、核心操作原理

1. 插入操作

尾部插入addLast()add()):
• 创建新节点,prev 指向原尾节点,next 置空。
• 若链表为空,将 firstlast 均指向新节点;否则更新原尾节点的 next 为新节点,并更新 last 指针。
时间复杂度:O(1)。

头部插入addFirst()):
• 类似尾部插入,更新 first 指针和新节点的 next 引用。
时间复杂度:O(1)。

中间插入add(index, element)):
• 遍历链表找到目标位置的前驱节点,调整前驱、后继及新节点的指针。
时间复杂度:O(n)(遍历耗时)。

2. 删除操作

尾部删除removeLast()):
• 获取尾节点,断开其与前驱节点的链接,更新 last 指针。
时间复杂度:O(1)。

头部删除removeFirst()):
• 类似尾部删除,更新 first 指针。
时间复杂度:O(1)。

中间删除remove(index)):
• 遍历找到目标节点,调整其前驱和后继节点的指针,跳过当前节点。
时间复杂度:O(n)。


三、性能特点与对比

操作类型LinkedList 时间复杂度ArrayList 时间复杂度说明
随机访问O(n)O(1)LinkedList 需从头/尾遍历至目标位置
头部插入/删除O(1)O(n)ArrayList 需移动后续元素
尾部插入/删除O(1)O(1)(均摊)ArrayList 仅在扩容时触发 O(n) 耗时
中间插入/删除O(n)(遍历)O(n)(移动元素)LinkedList 操作本身 O(1),但遍历耗时 O(n)
内存开销

额外空间:每个节点需存储 prevnext 指针,内存占用高于 ArrayList。
适用场景:适合频繁插入/删除且内存敏感度低的场景,如队列、栈或动态调整的数据结构。


四、线程安全与解决方案

非线程安全:LinkedList 未内置同步机制,多线程并发修改可能导致数据不一致或 ConcurrentModificationException
同步方案
• 使用 Collections.synchronizedList(new LinkedList<>()) 包装为同步列表。
• 高并发场景采用 ConcurrentLinkedDequeLinkedBlockingDeque


五、应用场景

  1. 频繁插入/删除:如实现队列(FIFO)或栈(LIFO),利用头尾操作的 O(1) 效率。
  2. 动态数据管理:无需预分配内存,适合元素数量变化频繁的场景。
  3. 双向遍历需求:如需要从尾部向前遍历或中间双向操作。

六、源码关键方法示例

1. 节点定义
private static class Node<E> {
    E item;
    Node<E> next;
    Node<E> prev;
    Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
        this.item = element;
        this.next = next;
        this.prev = prev;
    }
}
2. 尾部插入(linkLast()
void linkLast(E e) {
    final Node<E> l = last;
    final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
    last = newNode;
    if (l == null)
        first = newNode; // 原链表为空
    else
        l.next = newNode; // 更新原尾节点的 next 引用
    size++;
}
3. 中间删除(unlink()
E unlink(Node<E> x) {
    final E element = x.item;
    final Node<E> next = x.next;
    final Node<E> prev = x.prev;

    if (prev == null)
        first = next; // 删除头节点
    else
        prev.next = next; // 前驱节点跳过当前节点

    if (next == null)
        last = prev; // 删除尾节点
    else
        next.prev = prev; // 后继节点跳过当前节点

    x.item = null; // 帮助 GC
    size--;
    return element;
}

总结

LinkedList 通过双向链表实现高效的动态增删,但随机访问性能较差。其设计适用于频繁修改无需快速随机访问的场景,如队列、栈或动态数据管理。在多线程环境下需配合同步机制使用,避免数据竞争问题。

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