Java LinkedList源码分析

简介

LinkedList是一个常用的集合类，用于顺序存储元素。LinkedList经常和ArrayList一起被提及。大部分人应该都知道ArrayList内部采用数组保存元素，适合用于随机访问比较多的场景，而随机插入、删除等操作因为要移动元素而比较慢。LinkedList内部采用链表的形式存储元素，随机访问比较慢，但是插入、删除元素比较快，一般认为时间复杂都是O(1)(需要查找元素时就不是了，下面会说明)。本文分析LinkedList的具体实现。

继承关系

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

LinkedList继承了一个抽象类AbstractSequentialList，这个类就是用调用ListIterator实现了元素的增删查改，比如add方法：

public void add(int index, E element) {
    try {
        listIterator(index).add(element);
    } catch (NoSuchElementException exc) {
        throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index);
    }
}

不过这些方法在LinkedList中被复写了。

LinkedList实现了List、Deque、Cloneable以及Serializable接口。其中Deque是双端队列接口，所以LinkedList可以当作是栈、队列或者双端队队列。

内部变量

transient int size = 0;
transient Node<E> first;
transient Node<E> last;

总共就三个内部变量，size是元素个数，first是指向第一个元素的指针，last则指向最后一个。元素在内部被封装成Node对象，这是一个内部类，看一下它的代码：

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;
    }
}

可以看到这是一个双向链表的结构，每个节点保存它的前驱节点和后继节点。

私有方法

LinkedList内部有几个关键的私有方法，它们实现了链表的插入、删除等操作。比如在表头插入：

private void linkFirst(E e) {
    final Node<E> f = first;    //先保存当前头节点
    //创建一个新节点，节点值为e，前驱节点为空，后继节点为当前头节点
    final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
    first = newNode;    //让first指向新节点
    if (f == null)    //如果链表原来为空，把last指向这个唯一的节点
        last = newNode;
    else    ·        //否则原来的头节点的前驱指向新的头节点
        f.prev = newNode;
    size++;
    modCount++;
}

其实就是双向链表的插入操作，调整指针的指向，时间复杂度为O(1)，学过数据结构的应该很容易看懂。其它还有几个类似的方法：

//尾部插入
void linkLast(E e) {
    final Node<E> l = last;
    final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
    last = newNode;
    if (l == null)    //如果链表原来为空，让first指向这个唯一的节点
        first = newNode;
    else
        l.next = newNode;
    size++;
    modCount++;
}
//中间插入
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++;
}
//删除头节点
private E unlinkFirst(Node<E> f) {
    // assert f == first && f != null;
    final E element = f.item;
    final Node<E> next = f.next; //先保存下一个节点
    f.item = null;    
    f.next = null; // help GC
    first = next;    //让first指向下一个节点
    if (next == null)    //如果下一个节点为空，说明链表原来只有一个节点，现在成空链表了，要把last指向null
        last = null;
    else        //否则下一个节点的前驱节点要置为null
        next.prev = null;
    size--;
    modCount++;
    return element;
}
//删除尾节点
 private E unlinkLast(Node<E> l) {
    // assert l == last && l != null;
    final E element = l.item;
    final Node<E> prev = l.prev;  //保存前一个节点
    l.item = null;
    l.prev = null; // help GC
    last = prev;    //last指向前一个节点
    if (prev == null)    //与头节点删除一样，判断是否为空
        first = null;
    else
        prev.next = null;
    size--;
    modCount++;
    return element;
}
//从链表中间删除节点
 E unlink(Node<E> x) {
    // assert x != null;
    final E element = x.item;
    final Node<E> next = x.next;    //保存前驱节点
    final Node<E> prev = x.prev;    //保存后继节点

    if (prev == null) {    //前驱为空，说明删除的是头节点，first要指向下一个节点
        first = next;
    } else {                //否则前驱节点的后继节点变为当前删除节点的下一个节点
        prev.next = next;
        x.prev = null;
    }

    if (next == null) {       //判断后继是否为空，与前驱节点是否为空的逻辑类似
        last = prev;
    } else {
        next.prev = prev;
        x.next = null;
    }

    x.item = null;
    size--;
    modCount++;
    return element;
}

公开方法

公开的方法几乎都是调用上面几个方法实现的，例如add方法：

public boolean add(E e) {
    linkLast(e);
    return true;
}
public boolean add(E e) {
    linkLast(e);
    return true;
}
public void add(int index, E element) {
    checkPositionIndex(index);

    if (index == size)
        linkLast(element);
    else
        linkBefore(element, node(index));
}

这些方法的实现都很简单。注意最后一个方法add(int index, E element)，这个方法是在指定的位置插入元素。首先判断位置是否越界，然后判断是不是最后一个位置。如果是就直接插入链表末尾，否则调用linkBefore(element, node(index)方法。这里在传参数的时候又调用了node(index)，这个方法的目的是找到这个位置的节点对象，代码如下：

Node<E> node(int index) {
    // assert isElementIndex(index);
    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;
    }
}

这里有个小技巧是先判断位置是在链表的前半段还是后半段，然后决定从链表的头还是尾去寻找节点。要注意的是遍历链表寻找节点的时间复杂度是O(n),即使做了位置的判断，最坏情况下也要遍历链表中一半的元素。所以此时插入操作的时间复杂度就不是O(1),而是O(n/2)+O(1)。用于查找指定位置元素的get(int index)方法便是调用node实现的：

public E get(int index) {
    checkElementIndex(index);
    return node(index).item;
}

再看一下remove方法：

public E remove(int index) {
    checkElementIndex(index);
    return unlink(node(index));
}

public boolean remove(Object o) {
    if (o == null) {
        for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
            if (x.item == null) {
                unlink(x);
                return true;
            }
        }
    } else {
        for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
            if (o.equals(x.item)) {
                unlink(x);
                return true;
            }
        }
    }
    return false;
}

第一个remove(int index)方法同样要调用node(index)寻找节点。而第二个方法remove(Object o)是删除指定元素，这个方法要依次遍历节点进行元素的比较，最坏情况下要比较到最后一个元素，比调用node方法更慢，时间复杂度为O(n)。另外从这个方法可以看出LinkedList的元素可以是null。

总结

• LinkedList基于双向链表实现，元素可以为null。
• LinkedList插入、删除元素比较快，如果只要调整指针的指向那么时间复杂度是O(1),但是如果针对特定位置需要遍历时，时间复杂度是O(n)。