ArrayList已经在上一个博客文章中解析了，今天我们来看看List下又一个数据结构LinkedList。而它和ArrayList最大的不同在于ArrayList是基于数组实现，而LinkedList的底层是通过一个个的Node节点来实现的,所以它和ArrayList在很多特性上不一样。首先我们来看看他的数据结构：
在这里插入图片描述
可以很清晰的看到JDK1.7以后的版本LinkedList是一个双向链表，每一个节点都是一个独立的Node,每一个Node节点包含三个属性(上一个节点的引用，自身数据，下一个节点的引用)，通过prev和next进行元素的查找。从这里也可以看出它和ArrayList在使用上的不同，LinkedList相对于ArrayList体积会更大，查找元素的效率在大数据量情况下不如ArrayList。但是因为它的底层不是数组，不需要考虑内存连续问题，不会涉及到数组的复制和元素的位移，所以LinkedList的增删元素的能力强于ArrayList，因为它的增删无非只涉及到两个Node节点的改变,我们后续会总结一下。
首先这个Node是LinkedList的静态内部类，结构也相当简单只有三个属性和一个构造方法：
private static class Node {
E item; // 存储实际数据的属性
Node next; // 指向当前节点的下一个节点引用，没有则为null
Node prev; // 指向当前节点的上一个节点引用，没有则为null
Node(Node prev, E element, Node next) {
this.item = element;
this.next = next;
this.prev = prev;
}
}
我们再来看看LinkedList类的声明有啥特点：
public class LinkedList
extends AbstractSequentialList
implements List, Deque, Cloneable, java.io.Serializable
{
// 容量
transient int size = 0;
// 链表的头结点
transient Node first;
// 链表的尾节点
transient Node last;
// 默认的无参构造
public LinkedList() {
}
// 带参构造，ArrayList也有类似的构造
public LinkedList(Collection c) {
this();
addAll(c);
}
首先我们可以看到LinkedList类的属性并不复杂，我们再来看看他的父类和接口
- AbstractSequentialList类和List接口，说明LinkedList具有集合快速查找相关操作
- Deque说明它具有队列的性质
- Cloneable说明提供了独有的克隆方法
- Serializable说明它支持序列化
但是我们注意到，它没有向ArrayList一样有RandomAccess接口，说明它不能支持快速随机定位查找。还有就是他的size、first、last都用了transient修饰，这个问题我们后续解答。我们来看看它常用的方法源码如何实现的吧！
- 添加元素add(E e)
// 添加元素的方法调用的是连接最后方法
public boolean add(E e) {
linkLast(e);
return true;
}
我们看到，add()方法调用的是一个叫linkLast的方法，我们进去看看：
// 添加到链尾
void linkLast(E e) {
// 先获取链表的尾结点，如果没有则为null
final Node l = last;
// 将参数包装为Node节点，perv就是l，item就是我们的参数数据，next当然为null
final Node newNode = new Node<>(l, e, null);
// 将链表的last用用指向自己
last = newNode;
// 如果l==null，表名链表为空，此时该newNode既是头结点又是尾结点。否则将l的next节点指向newNode
if (l == null)
first = newNode;
else
l.next = newNode;
// 容量+1
size++;
// 链表结构变化次数+1
modCount++;
}
顾名思义，linkLast()方法是向链表尾部追加元素，这个过程还是比较简单。
- 插入头节点addFirst(E e)
// 向链表头部插入节点
public void addFirst(E e) {
linkFirst(e);
}
我们可以看到插入头节点调用的是linkFirst()方法：
// 链表头部插入节点
private void linkFirst(E e) {
// 先获取链表的头部节点f,链表为空的时候first和last都是默认值null
final Node f = first;
// 将数据封装为Node,prev当时是null因为是头插,item就是我们的数据,next当然使我们开始获取的那个f
final Node newNode = new Node<>(null, e, f);
// 将封装好的节点指向链表头部
first = newNode;
// 如果链表为空,f为null
if (f == null)
// 那么当前我们的node既是头结点又是尾结点,否则将最开始的f节点的prev指向newNode
last = newNode;
else
f.prev = newNode;
// 容量+1
size++;
// 链表结构变化次数+1
modCount++;
}
- 添加尾结点addLast(E e)
// 此方法和普通的add方法一致
public void addLast(E e) {
linkLast(e);
}
其实也是调用linkLast()方法，此方法在上文中已经有解析。
- 获取头/尾节点
// 获取链表头部节点
public E getFirst() {
final Node f = first;
if (f == null)
throw new NoSuchElementException();
return f.item;
}
// 获取链表尾部节点
public E getLast() {
final Node l = last;
if (l == null)
throw new NoSuchElementException();
return l.item;
}
其实就是返回LinkedList的两个内部属性first和last。
- 移除头节点removeFirst()
// 移除头结点并返回
public E removeFirst() {
// 先获取链表的头结点f
final Node f = first;
// 集合为空，报错
if (f == null)
throw new NoSuchElementException();
return unlinkFirst(f);
}
我们看到，底层调用的是一个叫unlinkFirst()的方法，我们继续看：
// 移除链表头节点
private E unlinkFirst(Node f) {
// assert f == first && f != null;
// 首先获取头结点f的数据
final E element = f.item;
// 再获取出头结点f的下一个结点，因为头结点移除，next结点作为新的头结点
final Node next = f.next;
// 将传入的头结点的数据和next置为null，f变为不可达对象，进行垃圾回收
f.item = null;
f.next = null; // help GC
// 将next节点置为新的头结点
first = next;
// 如果next==null(链表就一个元素，所以next有可能为null)，此时链表移除头结点表明清空链表，头结点和尾结点都清空
if (next == null)
last = null;
else
// 如果next不为null，next原来的prev指向的是f，但是f被移除，next作为头结点，那他的prev属性当然为null
next.prev = null;
// 容量-1
size--;
// 链表结构变化次数-1
modCount++;
return element;
}
具体步骤就不用详说了吧，我把流程都写在注释里。
- 移除尾节点removeLast()
// 移除尾结点并返回
public E removeLast() {
final Node l = last;
if (l == null)
throw new NoSuchElementException();
return unlinkLast(l);
}
果然，底层调用的是叫一个unlinkLast()的方法：
// 移除链表尾节点，和unlinkfirst操作一个概念
private E unlinkLast(Node l) {
// assert l == last && l != null;
final E element = l.item;
final Node 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;
}
- 向指定位置插入元素set(int index, E element)
// 向指定位置set数据(替换)
public E set(int index, E element) {
// 检查index和size的大小，防止越界
checkElementIndex(index);
// 首先调用node(int i)获取指定索引位置的node节点x
Node x = node(index);
// 替换x中的item属性，然后返回原属性，完事儿
E oldVal = x.item;
x.item = element;
return oldVal;
}
这里出现了一个node(int index)方法，此方法用来查找指定位置上的元素节点：
// 根据索引获取指定位置的元素
Node node(int index) {
// assert isElementIndex(index);
// 这里并不是直接从头结点开始遍历，而是看index和size大小的偏离程度选择从头还是从尾遍历
// 因为LinkedList没有和ArrayList一样实现去实现RandomAccess接口，所以LinkedList并不能直接靠index直接定位，而是遍历
// 将size大小二分，然后判断index和链表中间索引值比较，如果index离头比较近就从头遍历，否则从尾遍历
if (index < (size >> 1)) {
// 从头结点开始遍历，首先取出链表的头结点
Node x = first;
// 然后for循环遍历，直至到index位置，染回改节点node
for (int i = 0; i < index; i++)
x = x.next;
return x;
} else {
Node x = last;
// 尾部遍历和头部一样，只是顺序倒过来
for (int i = size - 1; i > index; i--)
x = x.prev;
return x;
}
}
值得说明的是这个查找并不是从头开始挨个儿遍历，而是判断了这个index和size大小的关系决定从头还是从尾遍历，因为LinkedList是一个双向链表，正反都可以遍历。
- 向指定位置添加元素add(int index, E element)
// 和set不一样，set是替换。add是在指定位置添加元素，原index位置的node会变为新node的next
public void add(int index, E element) {
// 检查是否越界
checkPositionIndex(index);
// 如果index==size表名直接在链尾追加完事儿
if (index == size)
linkLast(element);
else
// 否则调用linkBefore()方法
linkBefore(element, node(index));
}
此时如果index==size其实就是在链尾添加，否则它是调用了linkBefore()方法：
// 在指定元素位置添加元素
void linkBefore(E e, Node succ) {
// assert succ != null;
// 获取原来该index位置的节点succ的prev节点
final Node pred = succ.prev;
// 将新数据包装为node节点,因为新的node节点是要占据index位置,所以newNode的prev指向pred，
// item就是数据本身，next当然指向原来index位置上的节点succ，现在succ已经变味next
final Node newNode = new Node<>(pred, e, succ);
// newNode节点的属性已经赋值完毕，那么再将原来index位置的节点succ的prev引用改为newNode即可
succ.prev = newNode;
// 如果pred==null，代表index就是原来链表的头结点
if (pred == null)
// 那么将新节点赋予链表的头结点引用
first = newNode;
else
// 刚刚修改了next节点的属性，现在再来修改prev节点的属性，将pred节点的next引用指向新节点即可。到此完事儿
pred.next = newNode;
// 容量+1
size++;
// 链表结构变化次数+1
modCount++;
}
- 溢出指定位置的元素remove(int index)
// 移除执行位置的节点
public E remove(int index) {
// 检查是否越界
checkElementIndex(index);
// 调用unlink(）方法移除
return unlink(node(index));
}
我们来看看unlink()方法吧：
// 移除指定的节点
E unlink(Node x) {
// assert x != null;
// 首先获取该节点的item数据,prev节点,next节点
final E element = x.item;
final Node next = x.next;
final Node prev = x.prev;
// 如果prev==null,代表该节点是头结点，删除头结点很简单，直接将头结点的next节点置为头结点即可，然后将next的prev属性置为null
if (prev == null) {
first = next;
} else {
// 如果prev不为null，将prev的next节点改为next节点即可，这个情况是最简单的
prev.next = next;
// 然后将x的prev释放置为null
x.prev = null;
}
// 如果next==null,代表该节点是尾结点，删除尾结点也很简单，将链表的last指向节点的上一个节点prev
if (next == null) {
last = prev;
} else {
// 如果next不为null，将next节点的prev属性引用prev节点即可
next.prev = prev;
// 然后释放此节点的next属性为null
x.next = null;
}
// 最后将自己的数据置为null，到此x节点的三个属性均为null
x.item = null;
// 容量-1
size--;
// 链表结构变化次数+1
modCount++;
return element;
}
- 清空链表clear()
// 清空链表
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
// 循环进行遍历，依次将每个node节点的三个属性置为null，等待垃圾回收，直至链表尾部next=null
for (Node x = first; x != null; ) {
Node next = x.next;
x.item = null;
x.next = null;
x.prev = null;
x = next;
}
// 清空完链表后，将链表的头结点和尾结点的引用置为null
first = last = null;
// 将链表容量置为0
size = 0;
// 链表结构的变化次数+1
modCount++;
}
- 将链表转换为数组输出toArray()
// 和ArrayList不同，ArrayList是依靠数组的复制。LinkedList是遍历链表然后放入数组中，过程很简单。
public Object[] toArray() {
Object[] result = new Object[size];
int i = 0;
for (Node x = first; x != null; x = x.next)
result[i++] = x.item;
return result;
}
- LinkedList序列化
最后来说说为什么linkedList的size、first、last要用transient修饰，ArrayList之所以用transient修饰element数组是因为内存空间问题，这个在ArrayList博客里已经说了。LinkedList中之所以这样做是为了避免内存地址不一致的问题，linkedList是由多个Node节点组成，每个Node节点都持有前后两个Node节点的引用，如果支持序列化以后，再反序列化回来，Node节点的内存会不一致。
private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
throws java.io.IOException {
// Write out any hidden serialization magic
s.defaultWriteObject();
// Write out size
s.writeInt(size);
// Write out all elements in the proper order.
// 只是将node节点里的值序列化
for (Node x = first; x != null; x = x.next)
s.writeObject(x.item);
}
private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
// Read in any hidden serialization magic
s.defaultReadObject();
// Read in size
int size = s.readInt();
// Read in all elements in the proper order.
for (int i = 0; i < size; i++)
linkLast((E)s.readObject());
}
最后总结一下LinkedList的特点：
- 内存不连续，单个节点占用体积相比于ArrayList略大，但ArrayList的element数组后段有空闲
- 大数据量情况下检索速度不如数组和ArrayList
- 由于特殊的数据结构导致它的添加或删除元素的效率相对较高
- 和ArrayList一样，是线程不安全的类