Java集合系列[2]----LinkedList源码分析

上篇我们分析了ArrayList的底层实现，知道了ArrayList底层是基于数组实现的，因此具有查找修改快而插入删除慢的特点。本篇介绍的LinkedList是List接口的另一种实现，它的底层是基于双向链表实现的，因此它具有插入删除快而查找修改慢的特点，此外，通过对双向链表的操作还可以实现队列和栈的功能。LinkedList的底层结构如下图所示。

F表示头结点引用，L表示尾结点引用，链表的每个结点都有三个元素，分别是前继结点引用(P)，结点元素的值(E)，后继结点的引用(N)。结点由内部类Node表示，我们看看它的内部结构。

 1 //结点内部类
 2 private static class Node {
 3     E item;          //元素
 4     Node next;    //下一个节点
 5     Node prev;    //上一个节点
 6 
 7     Node(Node prev, E element, Node next) {
 8         this.item = element;
 9         this.next = next;
10         this.prev = prev;
11     }
12 }

Node这个内部类其实很简单，只有三个成员变量和一个构造器，item表示结点的值，next为下一个结点的引用，prev为上一个结点的引用，通过构造器传入这三个值。接下来再看看LinkedList的成员变量和构造器。

 1 //集合元素个数
 2 transient int size = 0;
 3 
 4 //头结点引用
 5 transient Node first;
 6 
 7 //尾节点引用
 8 transient Node last;
 9 
10 //无参构造器
11 public LinkedList() {}
12 
13 //传入外部集合的构造器
14 public LinkedList(Collectionextends E> c) {
15     this();
16     addAll(c);
17 }

LinkedList持有头结点的引用和尾结点的引用，它有两个构造器，一个是无参构造器，一个是传入外部集合的构造器。与ArrayList不同的是LinkedList没有指定初始大小的构造器。看看它的增删改查方法。

 1 //增(添加)
 2 public boolean add(E e) {
 3     //在链表尾部添加
 4     linkLast(e);
 5     return true;
 6 }
 7 
 8 //增(插入)
 9 public void add(int index, E element) {
10     checkPositionIndex(index);
11     if (index == size) {
12         //在链表尾部添加
13         linkLast(element);
14     } else {
15         //在链表中部插入
16         linkBefore(element, node(index));
17     }
18 }
19 
20 //删(给定下标)
21 public E remove(int index) {
22     //检查下标是否合法
23     checkElementIndex(index);
24     return unlink(node(index));
25 }
26 
27 //删(给定元素)
28 public boolean remove(Object o) {
29     if (o == null) {
30         for (Node x = first; x != null; x = x.next) {
31             if (x.item == null) {
32                 unlink(x);
33                 return true;
34             }
35         }
36     } else {
37         //遍历链表
38         for (Node x = first; x != null; x = x.next) {
39             if (o.equals(x.item)) {
40                 //找到了就删除
41                 unlink(x);
42                 return true;
43             }
44         }
45     }
46     return false;
47 }
48 
49 //改
50 public E set(int index, E element) {
51     //检查下标是否合法
52     checkElementIndex(index);
53     //获取指定下标的结点引用
54     Node x = node(index);
55     //获取指定下标结点的值
56     E oldVal = x.item;
57     //将结点元素设置为新的值
58     x.item = element;
59     //返回之前的值
60     return oldVal;
61 }
62 
63 //查
64 public E get(int index) {
65     //检查下标是否合法
66     checkElementIndex(index);
67     //返回指定下标的结点的值
68     return node(index).item;
69 }

LinkedList的添加元素的方法主要是调用linkLast和linkBefore两个方法，linkLast方法是在链表后面链接一个元素，linkBefore方法是在链表中间插入一个元素。LinkedList的删除方法通过调用unlink方法将某个元素从链表中移除。下面我们看看链表的插入和删除操作的核心代码。

 1 //链接到指定结点之前
 2 void linkBefore(E e, Node succ) {
 3     //获取给定结点的上一个结点引用
 4     final Node pred = succ.prev;
 5     //创建新结点, 新结点的上一个结点引用指向给定结点的上一个结点
 6     //新结点的下一个结点的引用指向给定的结点
 7     final Node newNode = new Node<>(pred, e, succ);
 8     //将给定结点的上一个结点引用指向新结点
 9     succ.prev = newNode;
10     //如果给定结点的上一个结点为空, 表明给定结点为头结点
11     if (pred == null) {
12         //将头结点引用指向新结点
13         first = newNode;
14     } else {
15         //否则, 将给定结点的上一个结点的下一个结点引用指向新结点
16         pred.next = newNode;
17     }
18     //集合元素个数加一
19     size++;
20     //修改次数加一
21     modCount++;
22 }
23 
24 //卸载指定结点
25 E unlink(Node x) {
26     //获取给定结点的元素
27     final E element = x.item;
28     //获取给定结点的下一个结点的引用
29     final Node next = x.next;
30     //获取给定结点的上一个结点的引用
31     final Node prev = x.prev;
32 
33     //如果给定结点的上一个结点为空, 说明给定结点为头结点
34     if (prev == null) {
35         //将头结点引用指向给定结点的下一个结点
36         first = next;
37     } else {
38         //将上一个结点的后继结点引用指向给定结点的后继结点
39         prev.next = next;
40         //将给定结点的上一个结点置空
41         x.prev = null;
42     }
43 
44     //如果给定结点的下一个结点为空, 说明给定结点为尾结点
45     if (next == null) {
46         //将尾结点引用指向给定结点的上一个结点
47         last = prev;
48     } else {
49         //将下一个结点的前继结点引用指向给定结点的前继结点
50         next.prev = prev;
51         x.next = null;
52     }
53 
54     //将给定结点的元素置空
55     x.item = null;
56     //集合元素个数减一
57     size--;
58     //修改次数加一
59     modCount++;
60     return element;
61 }

linkBefore和unlink是具有代表性的链接结点和卸载结点的操作，其他的链接和卸载两端结点的方法与此类似，所以我们重点介绍linkBefore和unlink方法。

linkBefore方法的过程图：

unlink方法的过程图：

 

通过上面图示看到对链表的插入和删除操作的时间复杂度都是O(1)，而对链表的查找和修改操作都需要遍历链表进行元素的定位，这两个操作都是调用的node(int index)方法定位元素，看看它是怎样通过下标来定位元素的。

 1 //根据指定位置获取结点
 2 Node node(int index) {
 3     //如果下标在链表前半部分, 就从头开始查起
 4     if (index < (size >> 1)) {
 5         Node x = first;
 6         for (int i = 0; i < index; i++) {
 7             x = x.next;
 8         }
 9         return x;
10     } else {
11         //如果下标在链表后半部分, 就从尾开始查起
12         Node x = last;
13         for (int i = size - 1; i > index; i--) {
14             x = x.prev;
15         }
16         return x;
17     }
18 }

通过下标定位时先判断是在链表的上半部分还是下半部分，如果是在上半部分就从头开始找起，如果是下半部分就从尾开始找起，因此通过下标的查找和修改操作的时间复杂度是O(n/2)。 通过对双向链表的操作还可以实现单项队列，双向队列和栈的功能。

单向队列操作：

 1 //获取头结点
 2 public E peek() {
 3     final Node f = first;
 4     return (f == null) ? null : f.item;
 5 }
 6 
 7 //获取头结点
 8 public E element() {
 9     return getFirst();
10 }
11 
12 //弹出头结点
13 public E poll() {
14     final Node f = first;
15     return (f == null) ? null : unlinkFirst(f);
16 }
17 
18 //移除头结点
19 public E remove() {
20     return removeFirst();
21 }
22 
23 //在队列尾部添加结点
24 public boolean offer(E e) {
25     return add(e);
26 }

双向队列操作：

 1 //在头部添加
 2 public boolean offerFirst(E e) {
 3     addFirst(e);
 4     return true;
 5 }
 6 
 7 //在尾部添加
 8 public boolean offerLast(E e) {
 9     addLast(e);
10     return true;
11 }
12 
13 //获取头结点
14 public E peekFirst() {
15     final Node f = first;
16     return (f == null) ? null : f.item;
17  }
18 
19 //获取尾结点
20 public E peekLast() {
21     final Node l = last;
22     return (l == null) ? null : l.item;
23 }

栈操作：

1 //入栈
2 public void push(E e) {
3     addFirst(e);
4 }
5 
6 //出栈
7 public E pop() {
8     return removeFirst();
9 }

不管是单向队列还是双向队列还是栈，其实都是对链表的头结点和尾结点进行操作，它们的实现都是基于addFirst()，addLast()，removeFirst()，removeLast()这四个方法，它们的操作和linkBefore()和unlink()类似，只不过一个是对链表两端操作，一个是对链表中间操作。可以说这四个方法都是linkBefore()和unlink()方法的特殊情况，因此不难理解它们的内部实现，在此不多做介绍。到这里，我们对LinkedList的分析也即将结束，对全文中的重点做个总结：

1. LinkedList是基于双向链表实现的，不论是增删改查方法还是队列和栈的实现，都可通过操作结点实现

2. LinkedList无需提前指定容量，因为基于链表操作，集合的容量随着元素的加入自动增加

3. LinkedList删除元素后集合占用的内存自动缩小，无需像ArrayList一样调用trimToSize()方法

4. LinkedList的所有方法没有进行同步，因此它也不是线程安全的，应该避免在多线程环境下使用

5. 以上分析基于JDK1.7，其他版本会有些出入，因此不能一概而论

转载于:https://www.cnblogs.com/liuyun1995/p/8287707.html