LinkedList 源码解析（JDK1.8）
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一. 前言
二. 常用方法
三. 源码解析
3.1. 属性和内部类
3.2. 构造函数
3.3. 添加元素
3.4. 获取元素
3.5. 删除元素
3.6. 迭代器
3.6.1. 头到尾方向的迭代
3.6.2. 尾到头方向的迭代
3.6.3. add() 插入元素
3.6.4. remove() 移除元素
一. 前言
LinkedList同时实现了List接口和Deque接口，也就是说它既可以看作是一个顺序容器，又可以看作是一个队列(Queue)，同时又可以看作一个栈(Stack)。这样看来，LinkedList简直就是个全能冠军。当你需要使用栈或者队列时，可以考虑使用LinkedList，一方面是因为Java官方已经声明不建议使用Stack类，更遗憾的是，Java里根本没有一个叫做Queue的类（它是个接口名字）。关于栈或队列，现在的首选是ArrayDeque，它有着比LinkedList（当作栈或队列使用时）有着更好的性能。
特点：
1. 底层是一个双向链表结构：增删快，查询慢。
2. 包含大量操作首尾元素的方法。
3. 线程不安全。如果需要多个线程并发访问，可以先采用Collections.synchronizedList()方法对其进行包装。
LinkedList 继承了 AbstractSequentialList，而 AbstractSequentialList 又继承于 AbstractList 。详见 ArrayList 的源码，阅读后我们知道，ArrayList 同样继承了 AbstractList ， 所以LinkedList会有大部分方法和 ArrayList 相似。
简单介绍一下家族成员：
List：表明它是一个列表，支持添加、删除、查找等操作，并且可以通过下标进行访问。
Deque：继承自 Queue 接口，具有双端队列的特性，支持从两端插入和删除元素，方便实现栈和队列等数据结构。
Cloneable：表明它具有拷贝能力，可以进行深拷贝或浅拷贝操作。
Serializable：表明它可以进行序列化操作，也就是可以将对象转换为字节流进行持久化存储或网络传输，非常方便。
补充：
序列化是将对象转换成二进制流，持久化是将对象转换成介质数据（先转成二进制再持久化）。
序列化跟反序列化，发生在OSI的表示层。
二. 常用方法
| 方法 | 描述 |
|---|---|
| public E getFirst() | 返回此列表中的第一个元素。 |
| public E getLast() | 返回此列表中的最后一个元素。 |
| public E removeFirst() | 移除并返回此列表中的第一个元素。 |
| public E removeLast() | 移除并返回此列表中的最后一个元素。 |
| public void addFirst(E e) | 在此列表的开始处插入指定的元素。 |
| public void addLast(E e) | 将指定的元素添加到列表的结束位置。 |
| public boolean contains(Object o) | 返回 true如果这个列表包含指定元素。 |
| public int size() | 返回此列表中元素的数目。 |
| public boolean add(E e) | 将指定的元素添加到列表的结束位置。 |
| public boolean remove(Object o) | 从该列表中移除指定元素的第一个。 |
| public void clear() | 从此列表中移除所有的元素。 |
| public E get(int index) | 返回此列表中指定位置的元素。 |
| public E set(int index, E element) | 用指定元素替换此列表中指定位置的元素。 |
| public void add(int index, E element) | 在列表中指定的位置上插入指定的元素。 |
| public E remove(int index) | 移除此列表中指定位置的元素。所有后续元素左移（下标减1）。返回从列表中删除的元素。 |
| public int indexOf(Object o) | 返回此列表中指定元素的第一个出现的索引，-1：如果此列表不包含元素。 |
| public int lastIndexOf(Object o) | 返回此列表中指定元素的最后一个发生的索引，-1：如果此列表不包含元素。 |
| public E peek() | 返回此列表的头部。 |
| public E poll() | 返回并删除此列表的第一个元素。 |
| public E remove() | 返回并删除此列表的第一个元素。 |
| public boolean offer(E e) | 将指定的元素添加到列表的尾部（最后一个元素）。 |
| public boolean offerFirst(E e) | 在列表的前面插入指定的元素。 |
| public boolean offerLast(E e) | 在列表的结尾插入指定的元素。 |
| public E peekFirst() | 返回列表的第一个元素。 |
| public E peekLast() | 返回列表的最后一个元素。 |
| public E pollFirst() | 删除并返回列表的第一个元素。 |
| public E pollLast() | 删除并返回列表的最后一个元素。 |
| public void push(E e) | 将一个元素推到由该列表所表示的堆栈上。换句话说，在这个列表的前面插入元素。相当于addFirst(E)。 |
| public E pop() | 从该列表所表示的堆栈中弹出一个元素。换言之，移除并返回此列表的第一个元素。 |
三. 源码解析
3.1. 属性和内部类
/**
* 集合大小
* 当前有多少个节点
*/
transient int size = 0;
/**
* 头部节点
* Invariant: (first == null && last == null) ||
* (first.prev == null && first.item != null)
*/
transient Node first;
/**
* 尾部节点
* Invariant: (first == null && last == null) ||
* (last.next == null && last.item != null)
*/
transient Node last; private static class Node {
E item; // 节点值
Node next; // 指向的下一个节点（后继节点）
Node prev; // 指向的前一个节点（前驱结点）
// 初始化参数顺序分别是：前驱结点、本身节点值、后继节点
Node(Node prev, E element, Node next) {
this.item = element;
this.next = next;
this.prev = prev;
}
} 3.2. 构造函数
LinkedList 中有一个无参构造函数和一个有参构造函数。
// 创建一个空的链表对象
public LinkedList() {
}
// 接收一个集合类型作为参数，会创建一个与传入集合相同元素的链表对象
public LinkedList(Collection c) {
this();
addAll(c);
}3.3. 添加元素
LinkedList 除了实现了List接口相关方法，还实现了 Deque 接口的很多方法，所以我们有很多种方式插入元素。我们这里以List接口中相关的插入方法为例进行源码讲解，对应的是 add()、addAll() 方法。
add(E e)：用于在 LinkedList 的尾部插入元素，即将新元素作为链表的最后一个元素，时间复杂度为 O(1)。
add(int index, E element)：用于在指定位置插入元素。这种插入方式需要先移动到指定位置，再修改指定节点的指针完成插入/删除，因此需要移动平均 n/2 个元素，时间复杂度为 O(n)。
addAll(int index, Collection c)：从指定位置开始，将指定集合中的所有元素插入此列表。当不是构造方法调用时，它会在其最后节点追加新的元素。
offer(E e)：内部调用 add(E e) 方法。
offerFirst(E e)：内部调用 addFirst(E e) 方法。
offerLast(E e)：内部调用 addLast(E e) 方法。
push(E e)：内部调用addFirst方法实现
// 在链表尾部插入元素
public boolean add(E e) {
linkLast(e);
return true;
}
// 在链表指定位置插入元素
public void add(int index, E element) {
// 下标越界检查
checkPositionIndex(index);
// 判断 index 是不是链表尾部位置
if (index == size)
// 如果是就直接调用 linkLast 方法将元素节点插入链表尾部即可
linkLast(element);
else
// 如果不是则调用 linkBefore 方法将其插入指定元素之前
linkBefore(element, node(index));
}
// 将元素节点插入到链表尾部
void linkLast(E e) {
// 将最后一个元素赋值（引用传递）给节点 l
final Node l = last;
// 创建节点，并指定节点前驱为链表尾节点 last，后继引用为空
final Node newNode = new Node<>(l, e, null);
// 将 last 引用指向新节点
last = newNode;
// 判断尾节点是否为空
// 如果 l 是 null，意味着这是第一次添加元素
if (l == null)
// 如果是第一次添加，将first赋值为新节点，此时链表只有一个元素
first = newNode;
else
// 如果不是第一次添加，将新节点赋值给l（添加前的最后一个元素）的next
l.next = newNode;
size++;
modCount++;
}
// 在指定元素之前插入元素
void linkBefore(E e, Node succ) {
// assert succ != null;断言 succ不为 null
// 定义一个节点元素保存 succ 的 prev 引用，也就是它的前一节点信息
final Node pred = succ.prev;
// 初始化节点，并指明前驱和后继节点
final Node newNode = new Node<>(pred, e, succ);
// 将 succ 节点前驱引用 prev 指向新节点
succ.prev = newNode;
// 判断尾节点是否为空，为空表示当前链表还没有节点
if (pred == null)
first = newNode;
else
// succ 节点前驱的后继引用指向新节点
pred.next = newNode;
size++;
modCount++;
} /**
* 从指定位置开始，将指定集合中的所有元素插入此列表。
* 将当前位于该位置的元素（如果有）和任何后续元素向右移动（增加其索引）。
* 新元素将按照指定集合的迭代器返回的顺序出现在列表中。
*
* @param 插入指定集合中第一个元素的索引
* @param c 包含要添加到此列表的元素的集合
* @return {@code true} 如果此列表因调用而更改，则为true
* @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
* @throws NullPointerException if the specified collection is null
*/
public boolean addAll(int index, Collection c) {
// 检查index是否越界 判断是否是有效下标 此时index必须为0
checkPositionIndex(index);
Object[] a = c.toArray();
// 数组length
int numNew = a.length;
if (numNew == 0)
return false;
// 创建两个双向链表节点 pred末游节点 succ首节点 初始值为null
Node pred, succ;
if (index == size) {
// 初始首节点为null
succ = null;
// 存储第一个node
pred = last;
} else {
succ = node(index);
pred = succ.prev;
}
// 此时开始创建双向链表进行链接
for (Object o : a) {
// 获取值
@SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) o;
// 创建一个新的节点（上一个节点，当前数值，下一个节点）
Node newNode = new Node<>(pred, e, null);
if (pred == null)// 第一个节点时 他的上一个节点时null
first = newNode; // 此时最后一个节点就是它本身
else
// 此时将上一个节点的下游节点链接就是当前生成的
pred.next = newNode;
// 记录当前末游节点
pred = newNode;
}
// 此时数据链接完
if (succ == null) {
// 将最后一个节点赋值给last
last = pred;
// 如果存在首届
} else {
// 将最后一个的下游节点链接为第一个节点
pred.next = succ;
// 将第一个的上游节点链接为末游节点
succ.prev = pred;
}
//size=length+1
size += numNew;
modCount++;
return true;
} public boolean offer(E e) {
return add(e);
}
public boolean offerFirst(E e) {
addFirst(e);
return true;
}
public boolean offerLast(E e) {
addLast(e);
return true;
}
public void push(E e) {
addFirst(e);
}3.4. 获取元素
LinkedList获取元素相关的方法一共有 3 个：
getFirst()：获取链表的第一个元素。
getLast()：获取链表的最后一个元素。
get(int index)：获取链表指定位置的元素。
// 获取链表的第一个元素
public E getFirst() {
final Node f = first;
if (f == null)
throw new NoSuchElementException();
return f.item;
}
// 获取链表的最后一个元素
public E getLast() {
final Node l = last;
if (l == null)
throw new NoSuchElementException();
return l.item;
}
// 获取链表指定位置的元素
public E get(int index) {
// 下标检查
checkElementIndex(index);
// 返回链表中对应下标的元素
return node(index).item;
} 添加元素时，都返回了node(int index)方法，我们分析一下该方法：
// 返回指定下标的非空节点
Node node(int index) {
// 断言下标未越界
// assert isElementIndex(index);
// 如果index小于size的二分之一 从前开始查找（向后查找），反之向前查找
if (index < (size >> 1)) {
Node x = first;
// 遍历，循环向后查找，直至 i == index
for (int i = 0; i < index; i++)
x = x.next;
return x;
} else {
Node x = last;
//遍历，循环向前查找，直至 i == index
for (int i = size - 1; i > index; i--)
x = x.prev;
return x;
}
} get(int index) 或 remove(int index) 等方法内部都调用了该方法来获取对应的节点。
不难看出，该方法通过比较索引值与链表 size 的一半大小来确定从链表头还是链表尾开始遍历。
1. 如果索引值小于 size 的一半，就从链表头开始遍历
2. 如果索引值大于 size 的一半，就从链表尾开始遍历。
这样可以在较短的时间内找到目标节点，充分利用了双向链表的特性来提高效率。
3.5. 删除元素
LinkedList 删除元素相关的方法一共有 5 个：
removeFirst() ：删除并返回链表的第一个元素。
removeLast() ：删除并返回链表的最后一个元素。
remove(E e) ：删除链表中首次出现的指定元素，如果不存在该元素则返回 false。
remove(int index) ：删除指定索引处的元素，并返回该元素的值。
void clear() ：移除此链表中的所有元素。
E pop()：调用removeFirst()。
E poll()：判断first元素是否为空，不为空则调用unlinkFirst(E e)删除。
E pollFirst：判断first元素是否为空，不为空则调用unlinkFirst(E e)删除。
E pollLast：判断last元素是否为空，不为空则调用unlinkLast(E e)删除。
// 删除并返回链表的第一个元素
public E removeFirst() {
final Node f = first;
if (f == null)
throw new NoSuchElementException();
return unlinkFirst(f);
}
// 删除并返回链表的最后一个元素
public E removeLast() {
final Node l = last;
if (l == null)
throw new NoSuchElementException();
return unlinkLast(l);
}
// 删除链表中首次出现的指定元素，如果不存在该元素则返回 false
public boolean remove(Object o) {
// 如果指定元素为 null，遍历链表找到第一个为 null 的元素进行删除
if (o == null) {
for (Node x = first; x != null; x = x.next) {
if (x.item == null) {
unlink(x);
return true;
}
}
} else {
// 如果不为 null ，遍历链表找到要删除的节点
for (Node x = first; x != null; x = x.next) {
if (o.equals(x.item)) {
unlink(x);
return true;
}
}
}
return false;
}
// 删除链表指定位置的元素
public E remove(int index) {
// 下标越界检查，如果越界就抛异常
checkElementIndex(index);
return unlink(node(index));
} 我们可以看到，均调用了 unlink(Node
E unlink(Node x) {
// 断言 x 不为 null
// assert x != null;
// 获取当前节点（也就是待删除节点）的元素
final E element = x.item;
// 获取当前节点的下一个节点
final Node next = x.next;
// 获取当前节点的前一个节点
final Node prev = x.prev;
// 如果前一个节点为空，则说明当前节点是头节点
if (prev == null) {
// 直接让链表头指向当前节点的下一个节点
first = next;
} else { // 如果前一个节点不为空
// 将前一个节点的 next 指针指向当前节点的下一个节点
prev.next = next;
// 将当前节点的 prev 指针置为 null，方便 GC 回收
x.prev = null;
}
// 如果下一个节点为空，则说明当前节点是尾节点
if (next == null) {
// 直接让链表尾指向当前节点的前一个节点
last = prev;
} else { // 如果下一个节点不为空
// 将下一个节点的 prev 指针指向当前节点的前一个节点
next.prev = prev;
// 将当前节点的 next 指针置为 null，方便 GC 回收
x.next = null;
}
// 将当前节点元素置为 null，方便 GC 回收
x.item = null;
size--;
modCount++;
return element;
} unlink() 方法的逻辑如下：
1. 首先获取待删除节点 x 的前驱和后继节点；
2. 判断待删除节点是否为头节点或尾节点：
1>. 如果 x 是头节点，则将 first 指向 x 的后继节点 next。
2>. 如果 x 是尾节点，则将 last 指向 x 的前驱节点 prev。
3>. 如果 x 既不是头节点也不是尾节点，执行下一步操作。
3. 将待删除节点 x 的前驱的后继指向待删除节点的后继 next，断开 x 和 x.prev 之间的链接；
4. 将待删除节点 x 的后继的前驱指向待删除节点的前驱 prev，断开 x 和 x.next 之间的链接；
5. 将待删除节点 x 的元素置空，修改链表长度。
public E pop() {
return removeFirst();
}
public E poll() {
// 判断first元素是否为空，不为空则调用unlinkFirst(E e)删除
final Node f = first;
return (f == null) ? null : unlinkFirst(f);
}
public E pollFirst() {
// 判断first元素是否为空，不为空则调用unlinkFirst(E e)删除
final Node f = first;
return (f == null) ? null : unlinkFirst(f);
}
public E pollLast() {
// 判断last元素是否为空，不为空则调用unlinkLast(E e)删除
final Node l = last;
return (l == null) ? null : unlinkLast(l);
} 3.6. 迭代器
推荐使用 for-each 循环来遍历 LinkedList 中的元素，for-each 循环最终会转换成迭代器形式。
LinkedList 遍历的核心就是它的迭代器的实现。
// 双向迭代器
private class ListItr implements ListIterator {
// 表示上一次调用 next() 或 previous() 方法时经过的节点；
private Node lastReturned;
// 表示下一个要遍历的节点；
private Node next;
// 表示下一个要遍历的节点的下标，也就是当前节点的后继节点的下标；
private int nextIndex;
// 表示当前遍历期望的修改计数值，用于和 LinkedList 的 modCount 比较，判断链表是否被其他线程修改过。
private int expectedModCount = modCount;
…………
} 下面我们对迭代器 ListItr 中的核心方法进行详细介绍。
3.6.1. 头到尾方向的迭代
// 判断还有没有下一个节点
public boolean hasNext() {
// 判断下一个节点的下标是否小于链表的大小，如果是则表示还有下一个元素可以遍历
return nextIndex < size;
}
// 获取下一个节点
public E next() {
// 检查在迭代过程中链表是否被修改过
checkForComodification();
// 判断是否还有下一个节点可以遍历，如果没有则抛出 NoSuchElementException 异常
if (!hasNext())
throw new NoSuchElementException();
// 将 lastReturned 指向当前节点
lastReturned = next;
// 将 next 指向下一个节点
next = next.next;
nextIndex++;
return lastReturned.item;
}3.6.2. 尾到头方向的迭代
// 判断是否还有前一个节点
public boolean hasPrevious() {
return nextIndex > 0;
}
// 获取前一个节点
public E previous() {
// 检查是否在迭代过程中链表被修改
checkForComodification();
// 如果没有前一个节点，则抛出异常
if (!hasPrevious())
throw new NoSuchElementException();
// 将 lastReturned 和 next 指针指向上一个节点
lastReturned = next = (next == null) ? last : next.prev;
nextIndex--;
return lastReturned.item;
}3.6.3. add() 插入元素
LinkedList list = new LinkedList<>();
list.add("apple");
list.add(null);
list.add("banana");
// Collection 接口的 removeIf 方法底层依然是基于迭代器
list.removeIf(Objects::isNull);
for (String fruit : list) {
System.out.println(fruit);
} 3.6.4. remove() 移除元素
// 从列表中删除上次被返回的元素
public void remove() {
// 检查是否在迭代过程中链表被修改
checkForComodification();
// 如果上次返回的节点为空，则抛出异常
if (lastReturned == null)
throw new IllegalStateException();
// 获取当前节点的下一个节点
Node lastNext = lastReturned.next;
// 从链表中删除上次返回的节点
unlink(lastReturned);
// 修改指针
if (next == lastReturned)
next = lastNext;
else
nextIndex--;
// 将上次返回的节点引用置为 null，方便 GC 回收
lastReturned = null;
expectedModCount++;
}