啃碎JDK源码(六):LinkedList

超大只乌龟

前言

之前已经写了几篇有关Java集合的文章:

今天我们来介绍一下另外一个容器类:LinkedList

正文

LinkedListArrayList一样是集合List的实现类,虽然较之ArrayList,其使用场景并不多,但同样有用到的时候,那么接下来,我们来认识一下它。

public class LinkedList<E> extends AbstractSequentialList<E>
      implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable{//底层是双向链表
 //元素数量    
 transient int size = 0;
 //第一个结点
 transient Node<E> first;
 //最后一个结点
 transient Node<E> last;
 .....

其实LinkedList底层使用双向链表实现的,可以看到上面有firstlast两个Node节点,来看看其内部类Node的定义:

 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;
 }

很简单,学过链表的同学应该都很清楚。

那首先我们还是来看看构造函数:

public LinkedList() {
}

public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
    this();
    addAll(c);
}

addAll(Collection<? extends E> c)方法用来添加指定的集合数据到LinkedList中。

辅助函数

在去看LinkedListgetadd等方法前,我们先去看下几个比较重要的辅助函数:

  • 首先是第一个辅助函数linkFirst(E e),该方法用于插入元素到链表头部
/*
 * 插入元素到头部
 */
private void linkFirst(E e) {
    final Node<E> f = first;
    // 设置newNode的前结点为null,后结点为f
    final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
    first = newNode;
    if (f == null)
       // 首先链接元素,同时把newNode设为最后一个结点
        last = newNode;
    else
        f.prev = newNode;
    size++;
    modCount++;
}

回忆一下内部类 Node 的构造函数:Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next),三个参数分别前一个结点、元素值以及下一个结点。

从上面可以看出在插入元素到链表头部其实创建一个Node结点,让其 next 指针指向链表首结点first

  • 插入元素到链表尾部
/*
 * 插入元素到尾部
 */
void linkLast(E e) {
    final Node<E> l = last;
    // 设置newNode的前结点为l,后结点为null
    final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
    // 新结点变成最后一个结点
    last = newNode;
    // 若l == null说明是首次链接元素,将first也指向新结点
    if (l == null)
        first = newNode;
    else
        l.next = newNode;
    size++;
    // 修改次数+1
    modCount++;
}

插入到尾部和上面插入到头部的方法也有异曲同工之妙,这里就不再细说。

  • 接着我们要给定结点前插入元素
/*
 * 在给定结点前插入元素e
 */
void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
    final Node<E> pred = succ.prev;
    // 设置newNode的前结点为pred,后结点为succ 
    final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
    succ.prev = newNode;
    if (pred == null)//如果succ是头结点,将newNode设置为头结点
        first = newNode;
    else
        pred.next = newNode;
    size++;
    modCount++;
}

很简单,就是让给定结点succprev 指针和前一个结点的 next 指针都指向我们的新结点就可以了。

  • 那如何删除一个结点呢?
/*
 * 删除链表结点
 */
E unlink(Node<E> x) {
    final E element = x.item;
    final Node<E> next = x.next;
    final Node<E> prev = x.prev;
    //判断是否是头结点
    if (prev == null) {
        first = next;
    } else {
        prev.next = next;
        x.prev = null;//GC回收
    }
    //判断是否是尾结点
    if (next == null) {
        last = prev;
    } else {
        next.prev = prev;
        x.next = null;//GC回收
    }
    x.item = null;//GC回收
    size--;
    modCount++;
    return element;
}

注意这里我们删除结点 x 后要把x的前后引用包括自身引用都设为null,这样JVM垃圾回收才会帮我们去回收x,否则会有内存泄漏的隐患。

还有最后一个辅助函数,用来获取指定位置的结点

/*
 *返回指定位置的结点
 */
Node<E> node(int index) {
    //根据index位置考虑是从前面遍历还是从后面遍历(加快查询速度)
    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;
    }
}

这里有一个值得我们借鉴的:就是会根据索引的位置来判读是从头部还是尾部遍历,这也是一个性能的小优化。

image

有了辅助函数后我们就可以来看看我们平常使用的比较多的API了

首先来看看getset方法:

get(int index)方法用来获取指定位置上的元素

/*
 * 返回指定位置元素
 */
public E get(int index) {
    checkElementIndex(index);
    return node(index).item;
}

private void checkElementIndex(int index) {
    if (!isElementIndex(index))
        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}

private boolean isElementIndex(int index) {
    return index >= 0 && index < size;
}

可以看到先调用checkElementIndex方法校验参数,然后调用辅助方法node(int index)获取元素值。

/*
 * 设置元素
 */
public E set(int index, E element) {
    checkElementIndex(index);
    Node<E> x = node(index);
    E oldVal = x.item;
    x.item = element;
    return oldVal;
}

set(int index, E element)方法用来设置元素,比较简单不再细说。

接下来看看另外两个方法:

peek方法用于返回头结点,而pool用于删除头结点并返回头结点的值

/*
 * 返回头结点值,如果链表为空则返回null
 */
public E peek() {
    final Node<E> f = first;
    return (f == null) ? null : f.item;
}

/*
 * 删除头结点并返回头结点值,如果链表为空则返回null
 */
public E poll() {
    final Node<E> f = first;
    return (f == null) ? null : unlinkFirst(f);
}

现在来看看如何删除一个结点:

/*
 * 默认删除头结点
 */
public E remove() {
    return removeFirst();
}
/*
 * 删除指定位置结点
 */
public E remove(int index) {
    checkElementIndex(index);
    return unlink(node(index));
}
/*
 * 删除指定结点
 */
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;
}

其实只要搞懂上面几个辅助函数后,其它的增删查改就很简单了。

继续来看另外一个index(Object o)方法,该方法用于返回指定对象在链表中的索引

/*
 * 返回指定对象在链表中的索引(如果没有则返回-1)
 * lastIndexOf同理(其实就是从后向前遍历)
 */
public int indexOf(Object o) {
    int index = 0;
    if (o == null) {
        for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
            if (x.item == null)
                return index;
            index++;
        }
    } else {
        for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
            if (o.equals(x.item))
                return index;
            index++;
        }
    }
    return -1;
}

现在我们如何把LinkedList转成数组返回呢?来看看toArray方法:

/*
 * 将链表包装成数组返回
 */
public Object[] toArray() {
    Object[] result = new Object[size];
    int i = 0;
    //依次取出结点值放入数组
    for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next)
        result[i++] = x.item;
    return result;
}

还有一个toArray(T[] a)方法,可以返回指定类型的数组:

/*
 * 将链表包装成指定类型数组返回
 */
public <T> T[] toArray(T[] a) {
    if (a.length < size)//给点的数组长度小于链表长度
        //创建一个类型与a一样,长度为size的数组
        a = (T[])java.lang.reflect.Array.newInstance(a.getClass().getComponentType(), size);
        
    int i = 0;
    Object[] result = a;//定义result指向给定数组,修改result == 修改a
    //依次把结点值放入result数组
    for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next)
        result[i++] = x.item;

    if (a.length > size)
        a[size] = null;

    return a;
}

迭代器

LinkedListArrayList还有一个比较大的区别是LinkedList除了iterator方法之外还有一个listIterator方法,该迭代器除了向后遍历数据外,也可以向前遍历,正是由于底层的双向链表结构才能实现。

public ListIterator<E> listIterator(int index) {
    checkPositionIndex(index);//参数校验
    return new ListItr(index);
}

private class ListItr implements ListIterator<E> {
     private Node<E> lastReturned;//上次越过的结点
     private Node<E> next;//下次越过的结点
    private int nextIndex;//下次越过结点的索引
    private int expectedModCount = modCount;//预期修改次数

    ListItr(int index) {
        next = (index == size) ? null : node(index);//index默认为0
        nextIndex = index;
    }

     /*判断是否有下一个元素*/
    public boolean hasNext() {
        return nextIndex < size;
    }
    
     /*向后遍历,返回越过的元素*/
    public E next() {
        checkForComodification();//fail-fast
        if (!hasNext())
            throw new NoSuchElementException();

        lastReturned = next;
        next = next.next;
        nextIndex++;
        return lastReturned.item;
    }
    
     /*判断是否有上一个元素*/    
    public boolean hasPrevious() {
        return nextIndex > 0;
    }
    
     /*向前遍历,返回越过的元素*/
    public E previous() {
        checkForComodification();//fail-fast
        if (!hasPrevious())
            throw new NoSuchElementException();

        lastReturned = next = (next == null) ? last : next.prev;//调用previous后lastReturned = next
        nextIndex--;
        return lastReturned.item;
    }
    
     /*返回下一个越过的元素索引*/
    public int nextIndex() {
        return nextIndex;
    }
    
     /*返回上一个越过的元素索引*/
    public int previousIndex() {
        return nextIndex - 1;
    }
    
     /*删除元素*/
    public void remove() {
        checkForComodification();//fail-fast
        if (lastReturned == null)
            throw new IllegalStateException();

        Node<E> lastNext = lastReturned.next;
        unlink(lastReturned);//从链表中删除lastReturned,modCount++(该方法会帮你处理结点指针指向)
        if (next == lastReturned)//调用previous后next == lastReturned
            next = lastNext;
        else
            nextIndex--;
            
        lastReturned = null;//GC
        expectedModCount++;
    }
    
     /*设置元素*/
    public void set(E e) {
        if (lastReturned == null)
            throw new IllegalStateException();
        checkForComodification();//fail-fast
        lastReturned.item = e;
    }
    
     /*插入元素*/
    public void add(E e) {
        checkForComodification();//fail-fast
        lastReturned = null;
        if (next == null)
            linkLast(e);
        else
            linkBefore(e, next);
        nextIndex++;
        expectedModCount++;
    }
    
     /*操作未遍历的元素*/
    public void forEachRemaining(Consumer<? super E> action) {
        Objects.requireNonNull(action);//判空
        while (modCount == expectedModCount && nextIndex < size) {
            action.accept(next.item);
            lastReturned = next;
            next = next.next;
            nextIndex++;
        }
        checkForComodification();
    }
    
     /*fail-fast*/
    final void checkForComodification() {
        if (modCount != expectedModCount)
            throw new ConcurrentModificationException();
    }
}

总结

今天有关LinkedList的源码分就暂时先到这里,其实如果理解了链表结构那么上面源码应该不是很难,如果有什么不对的地方请多多指教。

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