2.LinkedList的实现原理

一、概述

先来看看源码中的这一段注释，我们先尝试从中提取一些信息：

/**
 * Doubly-linked list implementation of the {@code List} and {@code Deque}
 * interfaces.  Implements all optional list operations, and permits all
 * elements (including {@code null}).
 *
 * 
All of the operations perform as could be expected for a doubly-linked
 * list.  Operations that index into the list will traverse the list from
 * the beginning or the end, whichever is closer to the specified index.
 *
 * 
Note that this implementation is not synchronized.
 * If multiple threads access a linked list concurrently, and at least
 * one of the threads modifies the list structurally, it must be
 * synchronized externally.  (A structural modification is any operation
 * that adds or deletes one or more elements; merely setting the value of
 * an element is not a structural modification.)  This is typically
 * accomplished by synchronizing on some object that naturally
 * encapsulates the list.
 */

• 从这段注释中，我们可以得知 LinkedList 是通过一个双向链表来实现的，它允许插入所有元素，包括 null，同时，它是线程不同步的。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-7RLINLZx-1636008740213)(images/2.LinkedList的实现原理/image-20211101103951991.png)]

​ 双向链表每个结点除了数据域之外，还有一个前指针和后指针，分别指向前驱结点和后继结点（如果有前驱/后继的话）。另外，双向链表还有一个 first 指针，指向头节点，和 last 指针，指向尾节点。

二、属性

// 链表的节点个数
transient int size = 0;

// 指向头节点的指针
transient Node<E> first;

// 指向尾节点的指针
transient Node<E> last;

三、方法

​ Node 是在 LinkedList 里定义的一个静态内部类，它表示链表每个节点的结构，包括一个数据域 item，一个后置指针 next，一个前置指针 prev。

1、节点结构

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;
    }
}

2、添加元素

​ 对于链表这种数据结构来说，添加元素的操作无非就是在表头/表尾插入元素，又或者在指定位置插入元素。因为 LinkedList 有头指针和尾指针，所以在表头或表尾进行插入元素只需要 O(1) 的时间，而在指定位置插入元素则需要先遍历一下链表，所以复杂度为 O(n)。

• 在表头添加元素的过程如下：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-TjybGNyO-1636008740214)(images/2.LinkedList的实现原理/image-20211101104252005.png)]

​ 当向表头插入一个节点时，很显然当前节点的前驱一定为 null，而后继结点是 first 指针指向的节点，当然还要修改 first 指针指向新的头节点。除此之外，原来的头节点变成了第二个节点，所以还要修改原来头节点的前驱指针，使它指向表头节点

private void linkFirst(E e) {
     
    final Node<E> f = first;
    // 当前节点的前驱指向 null，后继指针原来的头节点
    final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
    // 头指针指向新的头节点
    first = newNode;
    // 如果原来有头节点，则更新原来节点的前驱指针，否则更新尾指针
    if (f == null)
        last = newNode;
    else
        f.prev = newNode;
    size++;
    modCount++;
}

• 在表尾添加元素跟在表头添加元素大同小异，如图所示：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-fMXTaHke-1636008740216)(images/2.LinkedList的实现原理/image-20211101104808228.png)]

​ 当向表尾插入一个节点时，很显然当前节点的后继一定为 null，而前驱结点是 last 指针指向的节点，然后还要修改 last 指针指向新的尾节点。此外，还要修改原来尾节点的后继指针，使它指向新的尾节点

void linkLast(E e) {
     
    final Node<E> l = last;
    // 当前节点的前驱指向尾节点，后继指向 null
    final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
    // 尾指针指向新的尾节点
    last = newNode;
    // 如果原来有尾节点，则更新原来节点的后继指针，否则更新头指针
    if (l == null)
        first = newNode;
    else
        l.next = newNode;
    size++;
    modCount++;
}

• 最后，在指定节点之前插入，如图所示：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-7x23H6cx-1636008740218)(images/2.LinkedList的实现原理/image-20211101104943855.png)]

​ 当向指定节点之前插入一个节点时，当前节点的后继为指定节点，而前驱结点为指定节点的前驱节点。此外，还要修改前驱节点的后继为当前节点，以及后继节点的前驱为当前节点

void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
     
    // assert succ != null;
    // 指定节点的前驱
    final Node<E> pred = succ.prev;
    // 当前节点的前驱为指点节点的前驱，后继为指定的节点
    final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
    // 更新指定节点的前驱为当前节点
    succ.prev = newNode;
    // 更新前驱节点的后继
    if (pred == null)
        first = newNode;
    else
        pred.next = newNode;
    size++;
    modCount++;
}

3、删除元素

​ 删除操作与添加操作大同小异，例如删除指定节点的过程如下图所示，需要把当前节点的前驱节点的后继修改为当前节点的后继，以及当前节点的后继结点的前驱修改为当前节点的前驱（是不是很绕？）：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-OVFd7UVU-1636008740221)(images/2.LinkedList的实现原理/image-20211101105140691.png)]

删除头节点和尾节点跟删除指定节点非常类似，就不一一介绍了，源码如下：

// 删除表头节点，返回表头元素的值
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; // 头指针指向后一个节点
    if (next == null)
        last = null;
    else
        next.prev = null;// 新头节点的前驱为 null
    size--;
    modCount++;
    return element;
}


// 删除表尾节点，返回表尾元素的值
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;// 尾指针指向前一个节点
    if (prev == null)
        first = null;
    else
        prev.next = null;// 新尾节点的后继为 null
    size--;
    modCount++;
    return element;
}

// 删除指定节点，返回指定元素的值
E unlink(Node<E> x) {
     
    // assert x != null;
    final E element = x.item;
    final Node<E> next = x.next;// 当前节点的后继
    final Node<E> prev = x.prev;// 当前节点的前驱

    if (prev == null) {
     
        first = next;
    } else {
     
        prev.next = next;// 更新前驱节点的后继为当前节点的后继
        x.prev = null;
    }

    if (next == null) {
     
        last = prev;
    } else {
     
        next.prev = prev;// 更新后继节点的前驱为当前节点的前驱
        x.next = null;
    }

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

4、获取元素

// 获取表头元素
public E getFirst() {
     
    final Node<E> f = first;
    if (f == null)
        throw new NoSuchElementException();
    return f.item;
}
// 获取表尾元素
public E getLast() {
     
    final Node<E> l = last;
    if (l == null)
        throw new NoSuchElementException();
    return l.item;
}

// 获取指定下标的元素
Node<E> node(int index) {
     
    // assert isElementIndex(index);

    // 根据下标是否超过链表长度的一半，来选择从头部开始遍历还是从尾部开始遍历
    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;
    }
}

5、常用方法

​ 前面介绍了链表的添加和删除操作，你会发现那些方法都不是 public 的，LinkedList 是在这些基础的方法进行操作的，下面就来看看我们可以调用的方法有哪些。

// 删除表头元素
public E removeFirst() {
     
    final Node<E> f = first;
    if (f == null)
        throw new NoSuchElementException();
    return unlinkFirst(f);
}

// 删除表尾元素
public E removeLast() {
     
    final Node<E> l = last;
    if (l == null)
        throw new NoSuchElementException();
    return unlinkLast(l);
}

// 插入新的表头节点
public void addFirst(E e) {
     
    linkFirst(e);
}

// /插入新的表尾节点
public void addLast(E e) {
     
    linkLast(e);
}

// 链表的大小
public int size() {
     
    return size;
}

// 添加元素到表尾
public boolean add(E e) {
     
    linkLast(e);
    return true;
}

// 删除指定元素
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;
}

// 获取指定下标的元素
public E get(int index) {
     
    checkElementIndex(index);
    return node(index).item;
}

// 替换指定下标的值
public E set(int index, E element) {
     
    checkElementIndex(index);
    Node<E> x = node(index);
    E oldVal = x.item;
    x.item = element;
    return oldVal;
}

// 在指定位置插入节点
public void add(int index, E element) {
     
    checkPositionIndex(index);

    if (index == size)
        linkLast(element);
    else
        linkBefore(element, node(index));
}

// 删除指定下标的节点
public E remove(int index) {
     
    checkElementIndex(index);
    return unlink(node(index));
}

// 获取表头节点的值，表头为空返回 null
public E peek() {
     
    final Node<E> f = first;
    return (f == null) ? null : f.item;
}

// 获取表头节点的值，表头为空抛出异常
public E element() {
     
    return getFirst();
}

// 获取表头节点的值，并删除表头节点，表头为空返回 null
public E poll() {
     
    final Node<E> f = first;
    return (f == null) ? null : unlinkFirst(f);
}

// 添加元素到表头
public void push(E e) {
     
    addFirst(e);
}

// 删除表头元素
public E pop() {
     
    return removeFirst();
}

四、总结

1. LinkedList 的底层结构是一个带头/尾指针的双向链表，可以快速的对头/尾节点进行操作。
2. 相比数组，链表的特点就是在指定位置插入和删除元素的效率较高，但是查找的效率就不如数组那么高了。