Java集合干货——LinkedList源码分析

前言

在上篇文章中我们对ArrayList对了详细的分析，今天我们来说一说LinkedList。他们之间有什么区别呢？最大的区别就是底层数据结构的实现不一样，ArrayList是数组实现的（具体看上一篇文章），LinedList是链表实现的。至于其他的一些区别，可以说大部分都是由于本质不同衍生出来的不同应用。

LinkedList

链表

在分析LinedList之前先对链表做一个简单的介绍，毕竟链表不像数组一样使用的多，所以很多人不熟悉也在所难免。

链表是一种基本的线性数据结构，其和数组同为线性，但是数组是内存的物理存储上呈线性，逻辑上也是线性；而链表只是在逻辑上呈线性。在链表的每一个存储单元中不仅存储有当前的元素，还有下一个存储单元的地址，这样的可以通过地址将所有的存储单元连接在一起。

每次查找的时候，通过第一个存储单元就可以顺藤摸瓜的找到需要的元素。执行删除操作只需要断开相关元素的指向就可以了。示意图如下：

当然了在？LinkedList中使用的并不是最基本的单向链表，而是双向链表。

在LinedList中存在一个基本存储单元，是LinkedList的一个内部类，节点元素存在两个属性，分别保存前一个节点和后一个节点的引用。

//静态内部类
private static class Node<E> {
  //存储元素的属性
  E item;
  //前后节点引用
  Node<E> next;
  Node<E> prev;
  Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
    this.item = element;
    this.next = next;
    this.prev = prev;
  }
}

定义

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

在定义上和ArrayList大差不差，但是需要注意的是，LinkedList实现了Deque（间接实现了Qeque接口），Deque是一个双向对列，为LinedList提供了从对列两端访问元素的方法。

初始化

在分析ArrayList的时候我们知道ArrayList使用无参构造方法时的初始化长度是10，并且所有无参构造出来的集合都会指向同一个对象数组（静态常量，位于方法区），那么LinkedList的初始化是怎样的呢？

打开无参构造方法

public LinkedList() {
}

什么都没有，那么只能够去看属性了。

//初始化长度为0
transient int size = 0;
//有前后节点
transient Node<E> first;
transient Node<E> last;

图示初始化

LinkedList<String> list = new LinkedList<String>();
        String s = "sss";
        list.add(s);

方法

add(E e)

public boolean add(E e) {
  linkLast(e);
  return true;
}

从方法中我们知道在调用添加方法之后，并不是立马添加的，而是调用了linkLast方法，见名知意，新元素的添加位置是集合最后。

void linkLast(E e) {
 // 将最后一个元素赋值（引用传递）给节点l final修饰符  修饰的属性赋值之后不能被改变
  final Node<E> l = last;
 // 调用节点的有参构造方法创建新节点 保存添加的元素 
  final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
  //此时新节点是最后一位元素 将新节点赋值给last
  last = newNode;
  //如果l是null 意味着这是第一次添加元素 那么将first赋值为新节点  这个list只有一个元素 存储元素 开始元素和最后元素均是同一个元素
  if (l == null)
    first = newNode;
  else
    //如果不是第一次添加，将新节点赋值给l（添加前的最后一个元素）的next
    l.next = newNode;
  //长度+1
  size++;
  //修改次数+1
  modCount++;
}

从以上代码中我们可以看到其在添加元素的时候并不依赖下标。

而其中的处理是，通过一个last（Node对象）保存最后一个节点的信息（实际上就是最后一个节点），每次通过不断的变化最后一个元素实现元素的添加。（想要充分理解此处，需要理解java值传递和引用传递的区别和本质）。

add(int index, E element)

添加到指定的位置

public void add(int index, E element) {
  //下标越界检查
  checkPositionIndex(index);
//如果是向最后添加 直接调用linkLast
  if (index == size)
    linkLast(element);
  //反之 调用linkBefore
  else
    linkBefore(element, node(index));
}
//在指定元素之前插入元素
void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
  // assert succ != null; 假设断言 succ不为null
  //定义一个节点元素保存succ的prev引用 也就是它的前一节点信息
  final Node<E> pred = succ.prev;
  //创建新节点 节点元素为要插入的元素e prev引用就是pred 也就是插入之前succ的前一个元素 next是succ
  final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
  //此时succ的上一个节点是插入的新节点 因此修改节点指向
  succ.prev = newNode;
 // 如果pred是null 表明这是第一个元素
  if (pred == null)
    //成员属性first指向新节点
    first = newNode;
  //反之
  else
    //节点前元素的next属性指向新节点
    pred.next = newNode;
  //长度+1
  size++;
  modCount++;
}

节点元素插入图示

在上面的代码中我们应该注意到了，LinkedList在插入元素的时候也要进行一定的验证，也就是下标越界验证，下面我们看一下具体的实现。

private void checkPositionIndex(int index) {
  if (!isPositionIndex(index))
    throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
//如果输入的index在范围之内返回ture
private boolean isPositionIndex(int index) {
  return index >= 0 && index <= size;
}

通过对两个添加方法的分析，我们可以很明显的感受到LinkedList添加元素的效率，不需要扩容，不需要复制数组。

get

public E get(int index) {
  //检查下标元素是否存在 实际上就是检查下标是否越界
  checkElementIndex(index);
  //如果没有越界就返回对应下标节点的item 也就是对应的元素
  return node(index).item;
}

//下标越界检查 如果越界就抛异常
private void checkElementIndex(int index) {
  if (!isElementIndex(index))
    throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
private boolean isElementIndex(int index) {
  return index >= 0 && index < size;
}

//该方法是用来返回指定下标的非空节点
Node<E> node(int index) {
  //假设下标未越界  实际上也没有越界 毕竟在此之前执行了下标越界检查 
  // assert isElementIndex(index);

  //如果index小于size的二分之一  从前开始查找（向后查找）  反之向前查找  
  if (index < (size >> 1)) {//左移 效率高  值得学习
    Node<E> x = first;
    //遍历
    for (int i = 0; i < index; i++)
      //每一个节点的next都是他的后一个节点引用 遍历的同时x会不断的被赋值为节点的下一个元素  遍历到index是拿到的就是index对应节点的元素
      x = x.next;
    return x;
  } else {
    Node<E> x = last;
    for (int i = size - 1; i > index; i--)
      x = x.prev;
    return x;
  }
}

在这段代码中充分体现了双向链表的优越性，可以从前也可以从后开始遍历，通过对index范围的判断能够显著的提高效率。但是在遍历的时候也可以很明显的看到LinkedList get方法获取元素的低效率，时间复杂度O(n)。

remove(int index)

所谓删除节点 就是把节点的前后引用置为null，并且保证没有任何其他节点指向被删除节点。

public E remove(int index) {
  //下标越界检查
  checkElementIndex(index);
  //此处的返回值实际上是执行了两个方法
  //node获取制定下标非空节点
  //unlink 断开指定节点的联系
  return unlink(node(index));
}

E unlink(Node<E> x) {
  //假设x不是null
  // assert x != null;
  //定义一个变量element接受x节点中的元素 最后会最后返回值返回
  final E element = x.item;
  //定义连个节点分别获得x节点的前后节点引用
  final Node<E> next = x.next;
  final Node<E> prev = x.prev;
  //如果节点前引用为null 说明这是第一个节点
  if (prev == null) {
    //x是第一个节点 即将被删除  那么first需要被重新赋值
    first = next;
  } else {
    //如果不是x不是第一个节点  将prev（x的前一个节点）的next指向x的后一个节点（绕过x）
    prev.next = next;
    //x的前引用赋值null
    x.prev = null;
  }
//如果节点后引用为null 说明这是最后一个节点  一系列类似前引用的处理方式 不再赘述
  if (next == null) {
    last = prev;
  } else {
    next.prev = prev;
    x.next = null;
  }
//将x节点中的元素赋值null
  x.item = null;
  size--;
  modCount++;
  return element;
}

说明

1. prev，item，next均置为null 是为了让虚拟机回收
2. 我们可以看到LinkedList删除元素的效率也不错

LinkedList总结

1. 查询速度不行，每次查找都需要遍历，这就是在ArrayList分析时提到过的顺序下标遍历
2. 添加元素，删除都很有速度优势
3. 实现对列接口

ArrayList和LinkedList的区别

1. 顺序插入，两者速度都很快，但是ArrayList稍快于LinkedList，数组实现，数组是提前创建好的；LinkedList每次都需要重新new新节点
2. LinedList需要维护前后节点，会更耗费内存

3. 遍历，LinedList适合用迭代遍历；ArrayList适合用循环遍历

   1. 不要使用普通for循环遍历LinedList
   2. 也不要使用迭代遍历遍历ArrayList（具体看上篇文章《ArrayList分析》）
4. 删除和插入就不说了，毕竟ArrayList需要复制数组和扩容。

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我不能保证每一个地方都是对的，但是可以保证每一句话，每一行代码都是经过推敲和斟酌的。希望每一篇文章背后都是自己追求纯粹技术人生的态度。

永远相信美好的事情即将发生。