重新认识java-LinkedList

源代码解读

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

功能和特点

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，这些方法在

LinkedList

中被复写。

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。

LinkedList实现

主要原理

元素在内部被封装成

Node

对象，这是一个内部类，定义如下：

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;
}
}

Node

表示的是双向链表的节点数据结构。
使用双向循环链表实现，初始化时，双向循环链表的

first=last=null

，
添加第一个元素：
即使得

firt=last=newNode

。
再次添加元素时：

pred = last;
pred.next = newNode2;
pred.next.prev = pred;
pred = newNode2;
last = pred;

变量

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

size

是元素个数，

first

是双向链表的第一个元素，

last

双向链表的最后一个元素。

构造函数

public LinkedList() {
}

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

一个默认的的构造函数；
一个支持添加集合中多有元素到

LinkedList

中。

addAll()

方法如下，

public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
return addAll(size, c);
}

public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
checkPositionIndex(index);

Object[] a = c.toArray();
int numNew = a.length;
if (numNew == 0)
return false;

Node<E> pred, succ;
if (index == size) {
succ = null;
pred = last;
} else {
succ = node(index);
pred = succ.prev;
}

for (Object o : a) {
@SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) o;
Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, null);
if (pred == null)//即为头节点，
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;
}

当不指定元素添加的位置时，默认添加到last Node的后面（即

index=size

，size表示

LInkedList

的元素个数）；否则将集合中的所有元素插入到

LinkedList

中。
主要是通过`node(int index)找到指定位置的Node对象，具体实现如下：

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

if (index < (size >> 1)) {//如果索引是链表的前半段，从头开始搜索，加速确定位置
Node<E> x = first;
for (int i = 0; i < index; i++)
x = x.next;
return x;
} else {//如果索引是链表的后半段，从末尾开始搜索，加速确定位置
Node<E> x = last;
for (int i = size - 1; i > index; i--)
x = x.prev;
return x;
}
}

此处技巧，通过index与size向左移一位（即$size/2$）比较，判断最快找到index位置元素是从头还是从尾部开始查找，时间复杂度有$O(n)降低为$O(n/2)+O(1)$。

核心私有方法

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。

表头插入
private void linkFirst(E e) {
final Node<E> f = first;
final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
first = newNode;
if (f == null)//LinkedList中无节点
last = newNode;
else
f.prev = newNode;
size++;
modCount++;
}
//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)//succ是first节点
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;
}

LinkedList的队列方法实现和主要的增删查改都是基于上述几个方法。

核心public方法

公开的方法几乎都是调用上面几个私有方法实现的。
add

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。
用于查找指定位置元素的get(int index)方法也是调用node实现的：

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

remove

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$O(n)$。

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。

对添加和删除元素的时间复杂度认为是$O(1)$，而查找某个元素的时间复杂度较高。适合添加和删除较频繁的使用场景。

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