本文详细介绍了LinkedList的存储结构、类定义、属性、构造函数、链表节点及常用方法，如add、remove等。作为双端链表，LinkedList在插入和删除操作上效率高于ArrayList，但在随机访问上较慢。同时，它实现了Deque接口，支持队列和栈的功能。此外，文章还探讨了LinkedList的迭代器实现和最佳实践。
【本文是为了梳理知识的总结性文章，总结了一些自认为相关的重要知识点，只为巩固记忆以及技术交流，忘批评指正。其中参考了很多前辈的文章，包括图片也是引用，如有冒犯，侵删。】
目录
0 存储结构
从底层实现来看，LinkedList是链表实现的，其本质是双向链表。与ArrayList相比，LinkedList的插入和删除速度更快，但是随机访问速度则很慢。LinkedList的优点在于可以将零散的内存单元通过附加引用的方式关联起来，形成按链路顺序查找的线性结构，内存利用率较高。
1 类定义
除了继承AbstractSequentialList抽象类外，LinkedList还实现了另外一个接口Deque，既double-ended queue。这个接口同时具有队列和栈的性质。
public class LinkedList<E>
extends AbstractSequentialList<E>
implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable2 属性
// 集合元素数量
transient int size = 0;
// 链表头节点
transient Node<E> first;
// 链表尾节点
transient Node<E> last;3 构造函数
/**
* 空构造方法
*/
public LinkedList() {
}
/**
* 用已有的集合创建链表的构造方法
*/
public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
this();
addAll(c);
}4 链表节点
private static class Node<E> {
E item; // 元素值
Node<E> next; // 下一个元素
Node<E> prev; // 前一个元素
// 构造函数制定插入元素的前驱和后缀
Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
this.item = element;
this.next = next;
this.prev = prev;
}
}5常用方法
add(E e)
把元素插入链表的末尾，逻辑简单的链表操作
public boolean add(E e) {
linkLast(e);
return true;
}
/**
* 把e加入链表末尾
*/
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;
else
l.next = newNode;
size++;
modCount++;
}addFirst (E e)
将元素加入链表前端，逻辑简单的链表操作
public void addFirst(E e) {
linkFirst(e);
}
/**
* 把元素加入链表头部
*/
private void linkFirst(E e) {
final Node<E> f = first;
final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
first = newNode;
if (f == null)
last = newNode;
else
f.prev = newNode;
size++;
modCount++;
}add（int index，E element）
在指定位置添加元素
public void add(int index, E element) {
//检查index是否合法
checkPositionIndex(index);
if (index == size)
linkLast(element); //添加在链表尾部
else
linkBefore(element, node(index)); //添加在链表中间
}
checkPositionIndex（）方法检查边界
private void checkPositionIndex(int index) {
// 不合法索引直接抛出异常
if (!isPositionIndex(index))
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
// 检查index 的边界，由于可以再头和尾插入，因此等号成立
private boolean isPositionIndex(int index) {
return index >= 0 && index <= size;
}node(int index) 方法在指定元素前面插入元素，由于LinkedList 是双端链表，首先判断index里那一头近，然后从近的一头开始索引，减少遍历次数。
// 返回指定索引处非空节点
Node<E> node(int index) {
// assert isElementIndex(index);
// 由于是双端链表，首先判断index里那一头近，然后从近的一头开始索引
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;
}
}linkBefore(E e, Node<E> succ) 在制定的节点succ前插入节点e。
void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
// assert succ != null;
final Node<E> pred = succ.prev;
final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
succ.prev = newNode;
if (pred == null)
first = newNode;
else
pred.next = newNode;
size++;
modCount++;
}addAll(Collection<? extends E> c)
将集合插入到链表尾部
- 检查插入位置index是否在size之内
- 将集合的数据存到对象数组中
- 得到插入位置的前驱节点和后继节点
- 遍历数据将数据逐个插入
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
// 在链表末尾进行插入，传入的index为size
return addAll(size, c);
}
// 在制定的index前面插入集合中的元素
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
checkPositionIndex(index);
Object[] a = c.toArray(); // 将集合转为数组
int numNew = a.length;
if (numNew == 0)
return false;
// 根据插入位置的不同确定pred和succ
Node<E> pred, succ;
if (index == size) {
succ = null;
pred = last;
} else {
succ = node(index);
pred = succ.prev;
}
// 逐个插入
for (Object o : a) {
@SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) o;
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;
}
get（int index）
检查边界后，直接使用node(index)找到对于的节点的值。
public E get(int index) {
checkElementIndex(index);
return node(index).item;
}checkElementIndex（）检查get方法的index是否合法
private void checkElementIndex(int index) {
if (!isElementIndex(index))
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
// 由于是索引，所以size的等号不成立
private boolean isElementIndex(int index) {
return index >= 0 && index < size;
}获取头结点方法
getFirst()、element()、peek()、peekFirst() 这四个方法大同小异，都是用来获取头结点的。
由于LinkedList同时具有队列和栈的性质，因此提供这些看似冗余的方法，也是为了它在用于队列或者栈时可以和以前的方法名兼容。至于在实现上的区别，提现在对链表为空时的处理上，getFirst() 和 element() 方法将会在链表为空时抛出NoSuchElementException异常。peek()和peekFirst() 则不会抛出异常，直接返回为null。
// 如果队列为空会抛出异常
public E getFirst() {
final Node<E> f = first;
if (f == null)
throw new NoSuchElementException();
return f.item;
}
// 如果队列为空会抛出异常
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;
}获取尾节点
// 抛出异常
public E getLast() {
final Node<E> l = last;
if (l == null)
throw new NoSuchElementException();
return l.item;
}
// 返回null
public E peekLast() {
final Node<E> l = last;
return (l == null) ? null : l.item;
}set(int index,E element)
public E set(int index, E element) {
// 检查index是否合法
checkElementIndex(index);
// 找到指定节点
Node<E> x = node(index);
// 更新值
E oldVal = x.item;
x.item = element;
return oldVal;
}
remove(Object o)
删除指定元素，先找到其在链表中的位置，然后调用unlink方法移除。
public boolean remove(Object o) {
// 如果删除对象为null
if (o == null) {
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
if (x.item == null) {
// 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) {
if (o.equals(x.item)) {
unlink(x);
return true;
}
}
}
return false;
}unlink方法移除找的元素
- 找到该节点的前驱和后继；
- 删除前驱节点；
- 删除后继节点；
- 将该节点的属性都置为null；
- 将size减一；
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));
}删除头节点
两个删除头节点方法pop和remove都只调用了removeFirst方法。
public E pop() {
return removeFirst();
}
public E remove() {
return removeFirst();
}removeFirst（）方法
public E removeFirst() {
final Node<E> f = first;
if (f == null)
throw new NoSuchElementException();
// 头结点不为空就调用unlinkFirst方法移除头结点
return unlinkFirst(f);
}
private E unlinkFirst(Node<E> f) {
// assert f == first && f != null;
// 将头节点的属性置为null，有助GC
final E element = f.item;
final Node<E> next = f.next;
f.item = null;
f.next = null; // help GC
// 头结点指向原头结点的下一个元素
first = next;
if (next == null)
last = null;
else
next.prev = null;
size--;
modCount++;
return element;
}删除尾节点
两个删除尾节点方法removeLast和popLast都调用了unlinkLast方法进行删除，有一点区别在于removeLast方法在尾节点为空时会抛出NoSuchElementException异常，而pollLast则会返回空。
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);
}unlinkLast方法删除尾节点
private E unlinkLast(Node<E> l) {
// assert l == last && l != null;
// 将尾节点属性置空，有助GC
final E element = l.item;
final Node<E> prev = l.prev;
l.item = null;
l.prev = null; // help GC
// 新的尾节点为之前尾节点的前一个节点
last = prev;
if (prev == null)
first = null;
else
prev.next = null;
size--;
modCount++;
return element;
}clear()
遍历链表，将节点中的所有前驱和后继连接关系都置为null。
public void clear() {
// 清除节点间的前驱和后继不是必须的，但是为了更好的GC，最好都清除了
for (Node<E> x = first; x != null; ) {
Node<E> next = x.next;
x.item = null;
x.next = null;
x.prev = null;
x = next;
}
first = last = null;
size = 0;
modCount++;
}6 迭代器
LinkedList里面提供了两种迭代器，分别是ListIterator和Iterator。
内部类ListItr实现了ListIterator接口，具有双向遍历能力。
private class ListItr implements ListIterator<E> {
private Node<E> lastReturned; // 上次返回的值
private Node<E> next; // 下一个要返回的值
private int nextIndex; // 下一个索引值
private int expectedModCount = modCount; // 存储迭代器创建时刻的modCount
// 构造方法从指定位置开始遍历
ListItr(int index) {
// assert isPositionIndex(index);
next = (index == size) ? null : node(index);
nextIndex = index;
}
public boolean hasNext() {
return nextIndex < size;
}
public E next() {
checkForComodification();
if (!hasNext())
throw new NoSuchElementException();
lastReturned = next;
next = next.next;
nextIndex++;
return lastReturned.item;
}
public boolean hasPrevious() {
return nextIndex > 0;
}
public E previous() {
checkForComodification();
if (!hasPrevious())
throw new NoSuchElementException();
lastReturned = next = (next == null) ? last : next.prev;
nextIndex--;
return lastReturned.item;
}
public int nextIndex() {
return nextIndex;
}
public int previousIndex() {
return nextIndex - 1;
}
public void remove() {
checkForComodification();
if (lastReturned == null)
throw new IllegalStateException();
Node<E> lastNext = lastReturned.next;
unlink(lastReturned);
if (next == lastReturned)
next = lastNext;
else
nextIndex--;
lastReturned = null;
expectedModCount++;
}
public void set(E e) {
if (lastReturned == null)
throw new IllegalStateException();
checkForComodification();
lastReturned.item = e;
}
public void add(E e) {
checkForComodification();
lastReturned = null;
if (next == null)
linkLast(e);
else
linkBefore(e, next);
nextIndex++;
expectedModCount++;
}
public void forEachRemaining(Consumer<? super E> action) {
Objects.requireNonNull(action);
while (modCount == expectedModCount && nextIndex < size) {
action.accept(next.item);
lastReturned = next;
next = next.next;
nextIndex++;
}
checkForComodification();
}
// LinkedList不是线程安全的，如果多线程在修改链表则快速失败
final void checkForComodification() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
}内部类DescendingIterator 实现了Iterator接口，里面调用了ListItr迭代器，是一个向前遍历的迭代器。
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();
}
}
7 最佳实践
- LinkedList 底层使用双向队列实现，随机查询较慢，插入速度，删除速度快，适合频繁更改结构的场景。
参考文献
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