【数据结构】LinkedList原理及实现学习总结

一、LinkedList实现原理概述

LinkedList 和 ArrayList 一样，都实现了 List 接口，但其内部的数据结构有本质的不同。LinkedList 是基于链表实现的（通过名字也能区分开来），所以它的插入和删除操作比
ArrayList 更加高效。但也是由于其为基于链表的，所以随机访问的效率要比 ArrayList 差。

二、LinkedList类定义

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

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LinkedList 是一个继承于AbstractSequentialList的双向链表。它也可以被当作堆栈、队列或双端队列进行操作。
LinkedList 实现 List 接口，能对它进行队列操作。
LinkedList 实现 Deque 接口，即能将LinkedList当作双端队列使用。
LinkedList 实现了Cloneable接口，即覆盖了函数clone()，能克隆。
LinkedList 实现java.io.Serializable接口，这意味着LinkedList支持序列化，能通过序列化去传输。
LinkedList 是非同步的。
为什么要继承自AbstractSequentialList ?

AbstractSequentialList 实现了get(int index)、set(int index, E element)、add(int index, E element) 和 remove(int index)这些骨干性函数。降低了List接口的复杂度。这些接口都是随机访问List的，LinkedList是双向链表；既然它继承于AbstractSequentialList，就相当于已经实现了“get(int index)这些接口”。

此外，我们若需要通过AbstractSequentialList自己实现一个列表，只需要扩展此类，并提供 listIterator() 和 size() 方法的实现即可。若要实现不可修改的列表，则需要实现列表迭代器的 hasNext、next、hasPrevious、previous 和 index 方法即可。

LinkedList的类图关系：

三、LinkedList数据结构原理

LinkedList底层的数据结构是基于双向循环链表的，且头结点中不存放数据,如下：



既然是双向链表，那么必定存在一种数据结构——我们可以称之为节点，节点实例保存业务数据，前一个节点的位置信息和后一个节点位置信息，如下图所示：

四、私有属性

LinkedList中之定义了两个属性：

private transient Entry<E> header = new Entry<E>(null, null, null);2 private transient int size = 0;

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header是双向链表的头节点，它是双向链表节点所对应的类Entry的实例。Entry中包含成员变量： previous, next, element。其中，previous是该节点的上一个节点，next是该节点的下一个节点，element是该节点所包含的值。

　　size是双向链表中节点实例的个数。

首先来了解节点类Entry类的代码。

private static class Entry<E> {
E element;
Entry<E> next;
Entry<E> previous;

Entry(E element, Entry<E> next, Entry<E> previous) {
this.element = element;
this.next = next;
this.previous = previous;
}
}

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节点类很简单，element存放业务数据，previous与next分别存放前后节点的信息（在数据结构中我们通常称之为前后节点的指针）。

}

五、构造方法

LinkedList提供了两个构造方法。

public LinkedList() {
header.next = header.previous = header;
}
public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
this();
addAll(c);

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第一个构造方法不接受参数，将header实例的previous和next全部指向header实例（注意，这个是一个双向循环链表，如果不是循环链表，空链表的情况应该是header节点的前一节点和后一节点均为null），这样整个链表其实就只有header一个节点，用于表示一个空的链表。

执行完构造函数后，header实例自身形成一个闭环，如下图所示：



第二个构造方法接收一个Collection参数c，调用第一个构造方法构造一个空的链表，之后通过addAll将c中的元素全部添加到链表中。

六、元素添加

下面说明双向链表添加元素add()的原理:

// 将元素(E)添加到LinkedList中
public boolean add(E e) {
// 将节点(节点数据是e)添加到表头(header)之前。
// 即，将节点添加到双向链表的末端。         addBefore(e, header);
return true;
}

public void add(int index, E element) {
addBefore(element, (index==size ? header : entry(index)));
}

private Entry<E> addBefore(E e, Entry<E> entry) {
Entry<E> newEntry = new Entry<E>(e, entry, entry.previous);
newEntry.previous.next = newEntry;
newEntry.next.previous = newEntry;
size++;

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modCount++;
return newEntry;
}

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addBefore(E e,Entry entry)方法是个私有方法，所以无法在外部程序中调用（当然，这是一般情况，你可以通过反射上面的还是能调用到的）。

addBefore(E e,Entry entry)先通过Entry的构造方法创建e的节点newEntry（包含了将其下一个节点设置为entry，上一个节点设置为entry.previous的操作，相当于修改newEntry的“指针”），之后修改插入位置后newEntry的前一节点的next引用和后一节点的previous引用，使链表节点间的引用关系保持正确。之后修改和size大小和记录modCount，然后返回新插入的节点。

下面分解“添加第一个数据”的步骤：

第一步：初始化后LinkedList实例的情况：



第二步：初始化一个预添加的Entry实例（newEntry）。

Entry newEntry = newEntry(e, entry, entry.previous);



第三步：调整新加入节点和头结点（header）的前后指针。

newEntry.previous.next = newEntry;

newEntry.previous即header，newEntry.previous.next即header的next指向newEntry实例。在上图中应该是“4号线”指向newEntry。

newEntry.next.previous = newEntry;

newEntry.next即header，newEntry.next.previous即header的previous指向newEntry实例。在上图中应该是“3号线”指向newEntry。

调整后如下图所示：

图——加入第一个节点后LinkedList示意图



下面分解“添加第二个数据”的步骤：

第一步：新建节点。

图——添加第二个节点



第二步：调整新节点和头结点的前后指针信息。

图——调整前后指针信息



添加后续数据情况和上述一致，LinkedList实例是没有容量限制的。

总结，addBefore(E e,Entry entry)实现在entry之前插入由e构造的新节点。而add(E e)实现在header节点之前插入由e构造的新节点。为了便于理解，下面给出插入节点的示意图。

public void addFirst(E e) {
addBefore(e, header.next);
}

public void addLast(E e) {
addBefore(e, header);
}

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看上面的示意图，结合addBefore(E e,Entry entry)方法，很容易理解addFrist(E e)只需实现在header元素的下一个元素之前插入，即示意图中的一号之前。addLast(E e)只需在实现在header节点前（因为是循环链表，所以header的前一个节点就是链表的最后一个节点）插入节点（插入后在2号节点之后）。

七、删除数据remove()

public E remove(int index) {
Entry e = get(index);
remove(e);
return e.element;
}

private void remove(E e) {
if (e == header)
throw new NoSuchElementException();
// 将前一节点的next引用赋值为e的下一节点
e.previous.next = e.next;
// 将e的下一节点的previous赋值为e的上一节点
e.next.previous = e.previous;
// 上面两条语句的执行已经导致了无法在链表中访问到e节点，而下面解除了e节点对前后节点的引用
e.next = e.previous = null;
// 将被移除的节点的内容设为null
e.element = null;
// 修改size大小
size--;
}

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由于删除了某一节点因此调整相应节点的前后指针信息，如下：

e.previous.next = e.next;//预删除节点的前一节点的后指针指向预删除节点的后一个节点。

e.next.previous = e.previous;//预删除节点的后一节点的前指针指向预删除节点的前一个节点。

清空预删除节点：

e.next = e.previous = null;

e.element = null;

交给gc完成资源回收，删除操作结束。

与ArrayList比较而言，LinkedList的删除动作不需要“移动”很多数据，从而效率更高。

八、数据获取get()

Get(int)方法的实现在remove(int)中已经涉及过了。首先判断位置信息是否合法（大于等于0，小于当前LinkedList实例的Size），然后遍历到具体位置，获得节点的业务数据（element）并返回。

注意：为了提高效率，需要根据获取的位置判断是从头还是从尾开始遍历。

// 获取双向链表中指定位置的节点
private Entry<E> entry(int index) {
if (index < 0 || index >= size)
throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+
", Size: "+size);
Entry<E> e = header;
// 获取index处的节点。
// 若index < 双向链表长度的1/2,则从前先后查找;
// 否则，从后向前查找。
if (index < (size >> 1)) {
for (int i = 0; i <= index; i++)
e = e.next;
} else {
for (int i = size; i > index; i--)
e = e.previous;
}
return e;
}

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注意细节：位运算与直接做除法的区别。先将index与长度size的一半比较，如果index

九、 清除数据clear()

public void clear() {
Entry<E> e = header.next;
// e可以理解为一个移动的“指针”，因为是循环链表，所以回到header的时候说明已经没有节点了
while (e != header) {
// 保留e的下一个节点的引用
Entry<E> next = e.next;
// 解除节点e对前后节点的引用
e.next = e.previous = null;
// 将节点e的内容置空
e.element = null;
// 将e移动到下一个节点
e = next;
}
// 将header构造成一个循环链表，同构造方法构造一个空的LinkedList
header.next = header.previous = header;
// 修改size
size = 0;
modCount++;
}

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十、数据包含 contains(Object o)

public boolean contains(Object o) {
return indexOf(o) != -1;
}
// 从前向后查找，返回“值为对象(o)的节点对应的索引”  不存在就返回-1
public int indexOf(Object o) {
int index = 0;
if (o==null) {
for (Entry e = header.next; e != header; e = e.next) {
if (e.element==null)
return index;
index++;
}
} else {
for (Entry e = header.next; e != header; e = e.next) {
if (o.equals(e.element))
return index;
index++;
}
}
return -1;
}

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indexOf(Object o)判断o链表中是否存在节点的element和o相等，若相等则返回该节点在链表中的索引位置，若不存在则放回-1。

contains(Object o)方法通过判断indexOf(Object o)方法返回的值是否是-1来判断链表中是否包含对象o。

十一、数据复制clone()与toArray()

clone()

public Object clone() {
LinkedList<E> clone = null;
try {
clone = (LinkedList<E>) super.clone();
} catch (CloneNotSupportedException e) {
throw new InternalError();
}
clone.header = new Entry<E>(null, null, null);
clone.header.next = clone.header.previous = clone.header;
clone.size = 0;
clone.modCount = 0;
for (Entry<E> e = header.next; e != header; e = e.next)
clone.add(e.element);
return clone;
}

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调用父类的clone()方法初始化对象链表clone，将clone构造成一个空的双向循环链表，之后将header的下一个节点开始将逐个节点添加到clone中。最后返回克隆的clone对象。

toArray()

public Object[] toArray() {
Object[] result = new Object[size];
int i = 0;
for (Entry<E> e = header.next; e != header; e = e.next)
result[i++] = e.element;
return result;
}

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创建大小和LinkedList相等的数组result，遍历链表，将每个节点的元素element复制到数组中，返回数组。

toArray(T[] a)

public <T> T[] toArray(T[] a) {
if (a.length < size)
a = (T[])java.lang.reflect.Array.newInstance(
a.getClass().getComponentType(), size);
int i = 0;
Object[] result = a;
for (Entry<E> e = header.next; e != header; e = e.next)
result[i++] = e.element;
if (a.length > size)
a[size] = null;
return a;
}

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先判断出入的数组a的大小是否足够，若大小不够则拓展。这里用到了发射的方法，重新实例化了一个大小为size的数组。之后将数组a赋值给数组result，遍历链表向result中添加的元素。最后判断数组a的长度是否大于size，若大于则将size位置的内容设置为null。返回a。

从代码中可以看出，数组a的length小于等于size时，a中所有元素被覆盖，被拓展来的空间存储的内容都是null；若数组a的length的length大于size，则0至size-1位置的内容被覆盖，size位置的元素被设置为null，size之后的元素不变。

为什么不直接对数组a进行操作，要将a赋值给result数组之后对result数组进行操作？

十二、遍历数据：Iterator()

LinkedList的Iterator

除了Entry，LinkedList还有一个内部类：ListItr。

ListItr实现了ListIterator接口，可知它是一个迭代器，通过它可以遍历修改LinkedList。

在LinkedList中提供了获取ListItr对象的方法：listIterator(int index)。

public ListIterator<E> listIterator(int index) {
return new ListItr(index);
}

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该方法只是简单的返回了一个ListItr对象。

LinkedList中还有通过集成获得的listIterator()方法，该方法只是调用了listIterator(int index)并且传入0。