Java容器框架（三）--LinkedList实现原理
1. 简介
如果对Java容器家族成员不太熟悉，可以先阅读Java容器框架（一）--概述篇这篇文章，LinkedList类在List家族中具有重要的位置，基本上可以和ArrayList平起平坐，在功能上甚至比ArrayList还要强大。下面我们先来看看LinkedList继承关系：
public abstract class AbstractSequentialList extends AbstractList
public class LinkedList
extends AbstractSequentialList
implements List, Deque, Cloneable, java.io.Serializable 从类继承关系可以看到它实现了List接口、Deque接口（是一个双向队列）,因此具有的特性也就显而易见。本篇文章从下面方法入手，分析其实现过程从而了解LinkedList的实现原理：
下面我们一一分析这些方法的实现原理。
2. LinkedList()&LinkedList(Collection c)
LinkedList为我们提供了两种构造函数，一个为无参构造，一个传入一个容器作为入参，下面来看看具体的代码实现：
public LinkedList() {
}
public LinkedList(Collection c) {
this();
addAll(c);
}暂时不去分析addAll函数，直接看构造函数发现其实什么也没有做，只是另一个容器作为入参的时候，会调用addAll函数，不用看源码也能猜测到是将容器元素添加到当前LinkList容器中，addAll我们接下来会做分析。
3. add(E e)&add(int index, E element)&addAll(int index, Collection c)
add函数相信我们在熟悉不过，向List中添加元素。
那addAll(int index, Collection c)是什么意思呢？
它是向List容器中第index+1（由于是从0开始计算的）位置开始将容器c中的元素插入到List容器中，List中index+1开始后面的元素后移。
下面我们看看具体的代码实现：
- add(E e)
public boolean add(E e) {
linkLast(e);
return true;
}
transient int size = 0; // 链表节点（元素）的个数
transient Node first; // 第一个节点（元素）
transient Node last; // 最后一个节点（元素）
// 链表中每一个元素（节点）
private static class Node {
E item;
Node next;
Node prev;
Node(Node prev, E element, Node next) {
this.item = element;
this.next = next;
this.prev = prev;
}
}
void linkLast(E e) {
final Node l = last; // 用一个临时变量指向最后一个节点
// 创建一个新的节点，新的节点prev指向当前链表的最后一个元素，next为null
final Node newNode = new Node<>(l, e, null);
last = newNode; // 链表的last指向新的节点，也就是最后一个节点
if (l == null) // 表明刚开始的链表是一个空链表,则first 也指向新创建的节点（因为当前链表只有一个元素）
first = newNode;
else
l.next = newNode; // 实现双向链表
size++;
modCount++;
} 代码中注释非常清楚，add函数中调用的是linkLast函数，也就是向链表末尾添加元素。因此我们在向LinkedList中调用add来添加元素时，默认是添加到链表尾部。
- add(int index, E element)
通过函数名大致能够猜测到该函数的作用是向LinkedList中某个位置添加元素，那么具体是怎么实现的，下面看看源码实现：
public void add(int index, E element) {
checkPositionIndex(index); // 检查index 是否合法
// 如果是最后一个位置，则直接最链表尾部添加
if (index == size)
linkLast(element);
else
linkBefore(element, node(index));
}
private void checkPositionIndex(int index) {
// 检查index 是否合法
if (!isPositionIndex(index))
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
private boolean isPositionIndex(int index) {
return index >= 0 && index <= size;
}
// 相当于查找某个位置的节点（元素）
Node node(int index) {
// assert isElementIndex(index);
// 算是一种小优化，看需要插入的位置是处于链表的前半部分还是后半部分
// 如果是前半部分则从头部开始顺序查找插入位置的节点
if (index < (size >> 1)) {
Node x = first;
for (int i = 0; i < index; i++)
x = x.next;
return x;
} else {
Node x = last;
for (int i = size - 1; i > index; i--)
x = x.prev;
return x;
}
}
// 关键是这个函数, 在succ之前插入数据
void linkBefore(E e, Node succ) {
// assert succ != null;
final Node pred = succ.prev;
final Node newNode = new Node<>(pred, e, succ);
succ.prev = newNode;
if (pred == null)
first = newNode;
else
pred.next = newNode;
size++;
modCount++;
} 总结：当向LinkedList的index位置添加元素时，首先判断index位置是否合法，合法则顺序查找index位置的节点（元素），此处的查找有一个小小的优化，只需要顺序查找到链表一半位置即可，找到该节点后，则利用链表的特性直接插入元素，因此在性能上要优于ArrayList，首先LinkedList不需要考虑扩容，其次不需要移动插入位置之后的元素。
- addAll(int index, Collection c)
public boolean addAll(int index, Collection c) {
checkPositionIndex(index);
// 为了通用性，可以添加其他类型的数据结构，因此先把传入的c转化为数组；
Object[] a = c.toArray();
int numNew = a.length;
if (numNew == 0)
return false;
Node pred, succ;
// 如果是在默认添加
if (index == size) {
succ = null;
pred = last;
} else {
// 找到对应的节点元素
succ = node(index);
pred = succ.prev;
}
// 把数组构造成一个链表结构
for (Object o : a) {
@SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) o;
Node 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;
} 看代码不难理解，由于传入参数是Collection 类型，因此为了通用，首先转化为具体的数组，然后将数组转化为Node结构添加到链表中，至此将添加元素的相关方法分析完成了。
4. remove()&remove(int index)&remove(Object o)
很明显，这三个函数都是删除元素的作用，那它们具体是怎样实现的呢？其实有了了解添加元素原理的基础，删除元素也就不难了，下面看看具体源码：
- remove()
public E remove() {
// 默认删除的是链表开始的元素
return removeFirst();
}
public E removeFirst() {
final Node f = first;
if (f == null)
throw new NoSuchElementException();
return unlinkFirst(f);
}
private E unlinkFirst(Node f) {
// assert f == first && f != null;
final E element = f.item;
final Node next = f.next;
f.item = null;
f.next = null; // help GC
first = next;
if (next == null) // 这种情况是由于链表中只有一个元素，被删除之后
last = null;
else
next.prev = null;
size--;
modCount++;
return element;
}
remove()函数，默认从链表的头部开始删除数据，remove(int index)函数也很容易理解，删除指定位置的元素，此处就不在分析了，比较好奇的是remove(Object o)这个函数，当链表中存在相同的两个元素，那么是如何删除的呢？
- remove(Object o)
public boolean remove(Object o) {
if (o == null) {
for (Node x = first; x != null; x = x.next) {
if (x.item == null) {
unlink(x);
return true;
}
}
} else {
for (Node x = first; x != null; x = x.next) {
if (o.equals(x.item)) {
unlink(x);
return true;
}
}
}
return false;
}
// 作用是删除x节点,返回对应的值
E unlink(Node x) {
// assert x != null;
final E element = x.item;
final Node next = x.next;
final Node 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; // x节点的数据域、next、prev都设置为null，方便垃圾回收
size--;
modCount++;
return element;
} 从代码可以看到，删除某一个元素是从头部开始查找，当找到时就删除对应节点，即便之后还有相同的元素也不会删除，删除成功则返回true，否则为false。
5. set(int index, E element)&get(int index)&listIterator(int index)
- set(int index, E element)
set函数是用来更新index节点的值，返回旧值，由于存在需要顺序遍历到第index位置，因此时间复杂度为n/2也即为n，源码如下：
public E set(int index, E element) {
checkElementIndex(index); // 检查index 位置的合法性
Node x = node(index); // 遍历获取index位置的节点
E oldVal = x.item;
x.item = element;
return oldVal;
} - get(int index)
get函数是返回index位置节点的数据，同set很类似，也需要遍历到index位置，因此时间复杂度为n/2也即为n，源码实现如下：
public E get(int index) {
checkElementIndex(index);
return node(index).item;
}- listIterator(int index)
这是返回一个LinkedList的迭代器，通常我们不会直接调用此函数，一般是直接调用List的iterator()，它最终就是调用listIterator(int index)，只不过index为0而已，通过迭代器对链表进行遍历，相当于C语言里面的指针一样，指向某个元素顺序遍历，因此复杂度为n。此处就不在展示对应的源码。
我们都知道对List容器进行遍历通常有两种方式，一种为for循环直接遍历，一种通过迭代器方式进行遍历，那么到底哪种遍历方式比较好呢？
- for循环方式遍历
int size = list.size() for(int i=0; i
- 迭代器方式遍历
Iterator iter = list.iterator(); while(iter.hasNext()) { String value = (String)iter.next(); System.out.print(value + " "); }这两种方式到底哪种性能更优化，还需要看具体是对哪种List容器进行遍历，如果是ArrayList，由于get函数时间复杂度为1，因此采用for循环遍历要优于迭代器方式，如果是LinkedList，由于get函数（上面已经分析过）还需要对List进行遍历找到对应位置，因此采用迭代器方式遍历性能更好，总之，对于数组结构的线性表采用for循环方式遍历，对于链表结构的线性表采用迭代器方式进行遍历。
分析到此处，我们还需要注意一个点，大家知道for和for-each的区别吗？
for循环在熟悉不过，没什么好说的，但是for-each的实现原理有必要了解下，这里只是给出原理，需要知道具体实现请自行探索，for-each循环其实最终是转化为迭代器的遍历方式，我们可以通过对ArrayList遍历查看：
Listlist = new ArrayList(); for (Person per:list) { System.out.println(per); } 我们看看最后转化为class文件的代码如下： List list = new ArrayList(); Iterator var5 = list.iterator(); while(var5.hasNext()) { Person per = (Person)var5.next(); System.out.println(per); } 总结：因此我们在遍历ArrayList的时候，最好不要使用for-each而是for，对于LinkedList的遍历，则建议使用for-each或者直接迭代器遍历。
6. push(E e)&pop()
这两个函数其实是属于Deque范畴，在最开始将LinkedList类结构的时候，可以看到LinkedList实现了Deque接口，也即具有双向链表结构。下面看看这两个函数的具体实现，其他也有许多函数，仅此抛砖引玉，代码都很简单。
public void push(E e) {
// 向链表头部添加元素
addFirst(e);
}
public void addFirst(E e) {
linkFirst(e);
}
// 向头部增加节点
private void linkFirst(E e) {
final Node f = first;
final Node newNode = new Node<>(null, e, f);
first = newNode;
if (f == null)
last = newNode;
else
f.prev = newNode;
size++;
modCount++;
}
// 以上为push的实现
public E pop() {
return removeFirst();
}
public E removeFirst() {
final Node f = first;
if (f == null)
throw new NoSuchElementException();
return unlinkFirst(f);
} 总结：以上其实无非都是对链表进行操作，只是push和pop都是对头部节点进行操作，因此类似于栈的功能。
总结
至此LinkedList的源码分析就结束了，LinkedList是基于双向链表实现，可以快速插入删除元素，由于保存有链表头部和尾部的应用（C/C++ 角度可以理解为指针），因此可以方便实现队列和栈的功能，同时在遍历链表时，建议使用迭代器来完成，而不是通过for+get(index)这种形式来遍历。