Java集合类库 LinkedList 源码解析

基于JDK 1.7，和ArrayList进行比较分析

Java已经有了ArrayList，用来存放元素，对元素的操作都很方便。为什么还会有LinkedList呢？我们都知道ArrayList获取元素很快，但是插入一个元素很慢，因为ArrayList底层维护的是一个数组，往数组中的某个位置插入一个元素，是很消耗资源的。

而LinkedList插入元素很快，获取任意位置的元素却很慢。这是为什么呢？底层又是怎样实现的呢？

1.继承关系

LinkedList的继承关系图：



LinkedList继承的是AbstractSequentialList抽象类，而ArrayList继承的是AbstractList抽象类，也就是AbstractSequentialList类的上一层。

那么我们就去看看AbstractSequentialList抽象类到底做了哪些操作：



发现这个类其实很简单，一个无参的构造方法和7个方法，其实每个方法的实现都很简单，简单描述一下原理：通过迭代器来对列表进行增删改查。首先得到ListIterator，ListIterator的next()方法得到当前元素，set()方法修改元素，remove()方法删除元素。

// 这是set()方法的实现
public E set(int index, E element) {
try {
ListIterator<E> e = listIterator(index);
E oldVal = e.next();
e.set(element);
return oldVal;
} catch (NoSuchElementException exc) {
throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index);
}
}

2.实现接口

我们意外的发现LinkedList实现了Deque< E >接口，这个接口是用来干嘛的？从字面上的意思分析deque是双向队列的意思，拿到Deque< E >里面是队列的缺省方法，马上去追踪一下。

public interface Deque<E> extends Queue<E> {

马上明白了，Deque< E >继承自Queue< E >，那Queue肯定是队列了，不信就进去看一看。

public interface Queue<E> extends Collection<E> {

Queue< E >继承Collection接口，并添加特有方法，介绍一些这几个方法。

add(E e) – 将指定的元素插入此队列（如果立即可行且不会违反容量限制），在成功时返回 true，如果当前没有可用的空间，则抛出 IllegalStateException。

offer(E e) – 将指定的元素插入此队列（如果立即可行且不会违反容量限制），当使用有容量限制的队列时，此方法通常要优于 add(E e)，后者可能无法插入元素，而只是抛出一个异常。

remove() – 获取并移除此队列的头。

poll() – 获取并移除此队列的头，如果此队列为空，则返回 null。

element() – 获取但是不移除此队列的头。

peek() – 获取但不移除此队列的头，如果此队列为空，则返回 null。

3.LinkedList的介绍

LinkedList是一个链接列表，实现List所有可选的列表操作，并且允许操作所有元素（包括 null）。除了实现 List 接口外，LinkedList 类还为在列表的开头及结尾 get、remove 和 insert 元素提供了统一的命名方法。这些操作允许将链接列表用作堆栈、队列或双端队列。

由于LinkedList实现 Deque 接口，为 add、poll 提供先进先出队列操作，以及其他堆栈和双端队列操作。

所有操作都是按照双重链接列表的需要执行的。在列表中编索引的操作将从开头或结尾遍历列表（从靠近指定索引的一端）。

注意：LinkedList是线程不同步的。

在数据结构中，我们都知道有链表这种数据类型，典型的先进先出操作FIFO,像火车进站一样，先进的先出来。链表也分单向链表和双向链表，又分循环链表和非循环链表。只要明白了链表的实现原理，LinkedList是怎样实现的就一目了然了。

首先看一下最简单的单向链表的实现



元素n1指向n2，n2指向n3，如果有无穷多个元素，就这样一直循环下去。

package com.zhou.collection_11;

public class SingleLinkedListDemo {

public static void main(String[] args) {
Node n1 = new Node("n1");
Node n2 = new Node("n2");
Node n3 = new Node("n3");
// 构造一个单向链表
n1.next = n2;
n2.next = n3;
System.out.println(n1);

// 插入一个元素 n4,放在 n1 和 n2 之间
Node n4 = new Node("n4");
n1.next = n4;
n4.next = n2;
System.out.println(n1);

// 删除元素 n2
n4.next = n3;
System.out.println(n1);
}

}

class Node {

public String data; // 存放的元素
public Node next;   // 指向下一个节点的引用

public Node(String data) {
super();
this.data = data;
}

@Override
public String toString() {
return "Node [data=" + data + ", next=" + next + "]";
}

}

控制台输出结果：



这就是单向链表，至于循环链表，就是把最后一个元素指向第一个元素，下面我们再来看下双向循环链表的实现。

双向循环链表的实现

package com.zhou.collection_11;

public class DoubleLoopLinkedListDemo {

public static void main(String[] args) {
Node1 n1 = new Node1("n1");
Node1 n2 = new Node1("n2");
Node1 n3 = new Node1("n3");
// 构造一个双向循环链表
n1.next = n2;
n1.previous = n3;

n2.next = n3;
n2.previous = n1;

n3.next = n1;
n3.previous = n2;

// 插入一个元素 n4,放在 n1 和 n2 之间
Node1 n4 = new Node1("n4");
n1.next = n4;
n4.previous = n1;
n4.next = n2;
n2.previous = n4;

// 删除元素 n2
n4.next = n3;
n3.previous = n4;
n2.next = null;
n2.previous = null;
}

}

class Node1 {

public Node1 previous; // 指向前一个节点，前驱
public Node1 next;     // 指向下一个节点，后继
public String data;    // 存放数据

public Node1(String data) {
super();
this.data = data;
}

}

这就是双向循环链表的实现，我们不能通过复写toString()方法来把所以元素打印出来，因为链表本身是一个死循环。既然我们明白的链表的实现原理，那么LinkedList是否也是类似，去追踪一下LinkedList实现源码。

4.源码实现分析

全局变量

transient int size = 0;

/**
* Pointer to first node.
* Invariant: (first == null && last == null) ||
*            (first.prev == null && first.item != null)
*/
transient Node<E> first;

/**
* Pointer to last node.
* Invariant: (first == null && last == null) ||
*            (last.next == null && last.item != null)
*/
transient Node<E> last;

其中的size肯定就是LinkedList的大小，first就是指向第一个元素，last就是指向最后一个元素。在来看下Node< E >这个类的实现。

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;
}
}

它是一个私有的内部类，里面就是一个泛型类型的变量item，指向前一个元素的变量prev，指向后一个元素的变量next。其中泛型item就是我们向LinkedList中添加的元素，然后Node又构造好了向前与向后的引用prev，next，最后将生成的这个Node对象加入到了链表当中。这跟我们前面实现的双向链表循环链表是一样的结构，换句话说，LinkedList中所维护的是一个个的Node对象。

构造方法

/**
* Constructs an empty list.
*/
public LinkedList() {
}

/**
* Constructs a list containing the elements of the specified
* collection, in the order they are returned by the collection's
* iterator.
*
* @param  c the collection whose elements are to be placed into this list
* @throws NullPointerException if the specified collection is null
*/
public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
this();
addAll(c);
}

只有2个构造方法，一个无参的空实现，一个是传入集合来构造有大小的LinkedList，调用的addAll()方法，我们来看下这个方法的实现。

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)
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;
}

其实最终调用的是addAll(int index, Collection< ? extends E > c)方法，初始化的时候size为0，所以index是0。

checkPositionIndex(index);

private void checkPositionIndex(int index) {
if (!isPositionIndex(index))
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}

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

首先通过checkPositionIndex()方法进行范围检查，大小超出范围抛出IndexOutOfBoundsException异常。

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

接下来将传入的集合转化为数组，如果大小为0，就直接返回。也就是如果传入的集合大小为0，也是构造一个空的LinkedList。

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

初始化的size为0，传入的index也为0，变量last为null，所以走第一个判断条件，succ为null，pred也为null。

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;
}

这段代码就是构造了整个linkedList的元素，first指向第一个元素，pred指向最后一个元素。

if (succ == null) {
last = pred;
} else {
pred.next = succ;
succ.prev = pred;
}

size += numNew;
modCount++;
return true;

由于succ为null，把pred赋值给last，所以last也指向最后一个元素，再更改列表的大小。

添加/增加元素

添加元素主要就是add()方法和addAll()方法，在加上addFirst()和addLast()方法，下面我们就来看一下实现代码。

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));
}

public void addFirst(E e) {
linkFirst(e);
}

public void addLast(E e) {
linkLast(e);
}

分析上面代码，主要就是linkLast()、linkBefore()、linkFirst()这几个方法来实现添加元素的。

// 在链表的头部添加一个元素
private void linkFirst(E e) {
final Node<E> f = first;
// 构造一个前驱为null，后继为f的Node对象
final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
// 第一个元素指向刚刚构造出来的对象
first = newNode;
// 如果这个链表是空的，则第一个元素也是最后一个元素
// 否则把以前的前驱指向刚刚构造出的元素
if (f == null)
last = newNode;
else
f.prev = newNode;
// 列表大小+1
size++;
modCount++;
}

同理，其他的添加方法都是类似的，linkFirst()每次在头部添加元素，linkLast()每次在尾部添加元素，linkBefore()在任意位置添加元素。所以我们每次调用add(E e)，都是在最后添加一个元素。这个其中有一个很重要的方法 Node< E > node(int index)，返回指定位置的元素。

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;
}
}

判断指定位置的和列表大小一半的大小，如果index小于size/2，把列表第一个元素提取出来赋值给x，如果需要的不是第一个元素，循环遍历它的后继元素，找到最终的x。

如果index大于size/2，取出最后一个元素赋值给x，如果需要的不是最后一个元素，循环遍历它的前驱元素，找到最终的x。

可想而知，这个方法应该是贯穿整个LinkedList的方法。增删改查肯定都需要调用到。

查找元素

主要的查询方法有：getFirst()、getLast()、get()

public E getFirst() {
final Node<E> f = first;
if (f == null)
throw new NoSuchElementException();
return f.item;
}

public E getLast() {
final Node<E> l = last;
if (l == null)
throw new NoSuchElementException();
return l.item;

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

查询方法很简单，对于getFirst()、getLast()来说，直接返回头元素和尾元素的数据，如果为空则抛出一个NoSuchElementException异常。

get()方法则直接调用了node()方法，所以它查询元素的效率高的原因我们也就知道了。

修改元素

可以说List集合都是通过set()方法来修改元素的。

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

就是通过node()方法找到指定位置的元素，修改其中的item。

删除元素

是通过remove()、remove(Object o)、remove(int index)方法来删除元素的。

public E remove() {
return removeFirst();
}

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;
}

通过代码发现删除主要调用的还是E unlink(Node< E > x)方法，下面我们来看下unlink()的实现。

E unlink(Node<E> x) {
// assert x != null;
final E element = x.item;
final Node<E> next = x.next;
final Node<E> prev = x.prev;

if (prev == null) {
first = next;
} else {
prev.next = next;
x.prev = null;
}

if (next == null) {
last = prev;
} else {
next.prev = prev;
x.next = null;
}

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

如果传入的元素x为第一个元素的话，则说明要删除的是第一个元素，则把x的后继后继赋值给first，x的后继就指向null，x的前驱也指向null，x后继的前驱指向前驱(null)，这样就把x删除了。

如果传入的元素x为最后一个元素的话，则说明要删除的是最后一个元素，则把x的前驱赋值给last，x的后继就指向null，x的前驱也指向null，x前驱的后继指向后继(null)，这样就把x删除了。

如果删除非头尾元素，则把x的后继就指向null，x的前驱也指向null，x前驱的后继指向后继，x后继的前驱指向前驱，这样就把x删除了。

可能有点绕口，语言表达能力有限，需要自己体会一下。



Node< E > node(int index)

其实LinkedList的主要操作都在这个几个方法中，已经分析了几个主要的方法，其他的实现都很简单，跟我们上面双向循环链表的Demo都很相似，只是它属于双向链表，不是循环的而已。它们大部分都是私有的，外部不可调用，直接操作Node对象里面的数据的。下面这是几个方法的实现，可以看下：

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++;
}

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++;
}

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++;
}

private E unlinkFirst(Node<E> f) {
// assert f == first && f != null;
final E element = f.item;
final Node<E> next = f.next;
f.item = null;
f.next = null; // help GC
first = next;
if (next == null)
last = null;
else
next.prev = null;
size--;
modCount++;
return element;
}

private E unlinkLast(Node<E> l) {
// assert l == last && l != null;
final E element = l.item;
final Node<E> prev = l.prev;
l.item = null;
l.prev = null; // help GC
last = prev;
if (prev == null)
first = null;
else
prev.next = null;
size--;
modCount++;
return element;
}

5.其他方法的分析



通过源码，你会发现，这些方法的实现，都是通过上面讲的一个first变量、一个last变量，加上上面的几个重要的操作Node数据的方法，这些变量和方法来实现的。例如peek()方法，判断first是否为null，是返回null，不是返回first.item对象。

public E peek() {
final Node<E> f = first;
return (f == null) ? null : f.item;
}

我们来看下clear()和toArray()方法。

public void clear() {
// Clearing all of the links between nodes is "unnecessary", but:
// - helps a generational GC if the discarded nodes inhabit
//   more than one generation
// - is sure to free memory even if there is a reachable Iterator
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++;
}

这是一个所以变量置空的操作，这样可以被gc回收，很有代表性。我们以后写的代码，当销毁对象时，也要有这样的清除操作。循环置空，避免内存泄漏。

public Object[] toArray() {
Object[] result = new Object[size];
int i = 0;
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next)
result[i++] = x.item;
return result;
}

LinkedList的toArray()方法和ArrayList的不一样哦~原来构造出一个数组，把元素一个一个的添加进去，没有用到Arrays类的方法。

6.和ArrayList的比较分析

1.ArrayList底层是采用数组实现的，而LinkedList底层采用双向链表实现的。

2.当执行插入或者删除操作时，采用LinkedList比较好。

3.当执行搜索操作时，采用ArrayList比较好。

4.对于ArrayList的删除元素操作，需要将删除元素的后续元素，整体向前移动，所以代价比较高。

5.集合中只能放置对象的引用，无法放置原生的数据类型。我们需要使用原生数据类型的包装类才能加到集合中去。集合中放置的对象都是Object类型的，因此取出来的也都是Object类型的，那么必须使用强制类型转化将其转化为真正的类型。

每个人的见解和分析都有可能不同，强烈建议自己可以在看下源码，然后我们交流讨论。