ArrayList和LinkedList底层实现原理以及区别
ArrayList底层实现原理
1、概述
文章的内容基于JDK1.7进行分析，之所以选用这个版本，是因为1.8的有些类做了改动，增加了阅读的难度，虽然是1.7，但是对于1.8做了重大改动的内容，文章也会进行说明。
在分析 ArrayList 前，需要明白几个词的概念：线性表、数组。
线性表是最基本、最简单、也是最常用的一种数据结构。线性表中数据元素之间的关系是一对一的关系，即除了第一个和最后一个数据元素之外，其它数据元素都是首尾相接的。线性表有两种存储方式：
- 一种是顺序存储结构
- 另一种是链式存储结构
数组，是一种典型的顺序存储结构。具有以下特点：
- 是物理存储连续、逻辑存储连续的顺序表。
- 利于查询。这种存储方式的优点是查询的时间复杂度为O(1)，通过首地址和偏移量就可以直接访问到某元素。
- 不利于修改。插入和删除的时间复杂度最坏能达到O(n)，如果你在第一个位置插入一个元素，你需要把数组的每一个元素向后移动一位，如果你在第一个位置删除一个元素，你需要把数组的每一个元素向前移动一位。
- 容量的固定性。就是当你不确定元素的数量时，你开的数组必须保证能够放下元素最大数量，遗憾的是如果实际数量比最大数量少很多时，你开的数组没有用到的内存就只能浪费掉了。
ArrayList作为List的典型实现，完全实现了List的全部接口功能，它是基于数组实现的List类，它封装了一个Object[]类型的数组，长度可以动态的增长。如果在创建ArrayList时没有指定Object[]数组的长度，它默认创建一个长度为10的数组，当新添加的元素已经没有位置存放的时候,ArrayList就会自动进行扩容，扩容的长度为原来长度的1.5倍。它的线程是不安全的。
2、数据结构
继承关系
java.lang.Object java.util.AbstractCollection<E> java.util.AbstractList<E> java.util.ArrayList<E>实现接口
Serializable, Cloneable, Iterable<E>, Collection<E>, List<E>, RandomAccess //实现Cloneable 接口来表示该类可以被克隆，才可以调用Object.clone() 方法对该类的实例进行按字段复制。 //RandomAccess : 标识实现这个接口(在恒定时间内)可以支持快速随机访问基本属性
transient Object[] elementData; //存放数组的元素，transient表示该字段不进行序列化操作 private int size; //已经放入数组中的元素个数，非数组的长度
3、源码解析
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
//可序列化版本号
private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;
//默认的初始化数组大小 为10 .
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
//实例化一个空数组
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
//存放List元素的数组
private transient Object[] elementData;
//List中元素的数量，和存放List元素的数组长度可能相等，也可能不相等
private int size;
//构造方法，指定初始化的数组长度
public ArrayList(int initialCapacity) {
super();
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
initialCapacity);
this.elementData = new Object[initialCapacity];
}
//无参构造方法
public ArrayList() {
super();
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}
//构造方法，参数为集合元素
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
//将集合转换成数组，并赋值给elementData数组
elementData = c.toArray();
size = elementData.length;
//如果c.toArray返回的不是Object[]类型的数组，转换成Object[]类型
if (elementData.getClass() != Object[].class)
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
}
//改变数组的长度，使长度和List的size相等。
public void trimToSize() {
modCount++;
if (size < elementData.length) {
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);
}
}
//确定ArrayList的容量
//判断当前elementData是否是EMPTY_ELEMENTDATA,若是设置长度为10
public void ensureCapacity(int minCapacity) {
int minExpand = (elementData != EMPTY_ELEMENTDATA)
// any size if real element table
? 0
// larger than default for empty table. It's already supposed to be
// at default size.
: DEFAULT_CAPACITY;
//是否需要扩容
if (minCapacity > minExpand) {
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
}
//当前位置和默认大小之间取最大值
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
if (elementData == EMPTY_ELEMENTDATA) {
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
modCount++;
// overflow-conscious code
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}
//数组的最大容量
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
//扩容操作
private void grow(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length;
//容量扩充1.5倍
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
// minCapacity is usually close to size, so this is a win:
//生成一个长度为newCapacity数组，并将elementData数组中元素拷贝到新数组中，并将新数组的引用赋值给elementData
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
if (minCapacity < 0) // overflow
throw new OutOfMemoryError();
return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
Integer.MAX_VALUE :
MAX_ARRAY_SIZE;
}
//返回数组中已经放入的元素个数，非数组长度
public int size() {
return size;
}
//List是否为空
public boolean isEmpty() {
return size == 0;
}
//判断是否包包含指定元素
public boolean contains(Object o) {
return indexOf(o) >= 0;
}
//查找指定的元素，存在返回下标，不存在放回 -1
public int indexOf(Object o) {
if (o == null) {
for (int i = 0; i < size; i++)
if (elementData[i]==null)
return i;
} else {
for (int i = 0; i < size; i++)
if (o.equals(elementData[i]))
return i;
}
return -1;
}
//倒序查找元素，存在放回下标，不存在返回-1
public int lastIndexOf(Object o) {
if (o == null) {
for (int i = size-1; i >= 0; i--)
if (elementData[i]==null)
return i;
} else {
for (int i = size-1; i >= 0; i--)
if (o.equals(elementData[i]))
return i;
}
return -1;
}
//因为实现了clone接口，所以需要重写clone()方法，实现对象的拷贝
public Object clone() {
try {
@SuppressWarnings("unchecked")
ArrayList<E> v = (ArrayList<E>) super.clone();
v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);
v.modCount = 0;
return v;
} catch (CloneNotSupportedException e) {
// this shouldn't happen, since we are Cloneable
throw new InternalError();
}
}
//将集合转化为数组
public Object[] toArray() {
return Arrays.copyOf(elementData, size);
}
//转化为指定类型的数组元素，推荐使用此方法
@SuppressWarnings("unchecked")
public <T> T[] toArray(T[] a) {
if (a.length < size)
// Make a new array of a's runtime type, but my contents:
return (T[]) Arrays.copyOf(elementData, size, a.getClass());
System.arraycopy(elementData, 0, a, 0, size);
if (a.length > size)
a[size] = null;
return a;
}
// Positional Access Operations
//放回指定位置的数组元素
@SuppressWarnings("unchecked")
E elementData(int index) {
return (E) elementData[index];
}
//返回列表中指定位置的元素
public E get(int index) {
rangeCheck(index);
return elementData(index);
}
//设置指定位置的元素，并返回被替换的元素
public E set(int index, E element) {
rangeCheck(index);
E oldValue = elementData(index);
elementData[index] = element;
return oldValue;
}
//添加元素
public boolean add(E e) {
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
elementData[size++] = e;
return true;
}
//将元素添加到指定位置上，从指定位置的元素开始所有元素向后移动，为新添加的元素提供位置
public void add(int index, E element) {
rangeCheckForAdd(index);
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
size - index);
elementData[index] = element;
size++;
}
//删除指定位置的元素，其他元素做相依的移动，并将最后一个元素置空，方便垃圾处理机制回收，防止内存泄露，并返回删除的元素值
public E remove(int index) {
rangeCheck(index);
modCount++;
E oldValue = elementData(index);
int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
numMoved);
elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
return oldValue;
}
//删除元素方法
public boolean remove(Object o) {
if (o == null) {
for (int index = 0; index < size; index++)
if (elementData[index] == null) {
fastRemove(index);
return true;
}
} else {
for (int index = 0; index < size; index++)
if (o.equals(elementData[index])) {
fastRemove(index);
return true;
}
}
return false;
}
//快速删除执行操作
private void fastRemove(int index) {
modCount++;
int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
numMoved);
elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
}
//清除列表
public void clear() {
modCount++;
// clear to let GC do its work
for (int i = 0; i < size; i++)
elementData[i] = null;
size = 0;
}
//添加方法，添加的元素为集合
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
Object[] a = c.toArray();
int numNew = a.length;
ensureCapacityInternal(size + numNew); // Increments modCount
System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
size += numNew;
return numNew != 0;
}
//从指定位置开始添加集合元素
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
rangeCheckForAdd(index);
Object[] a = c.toArray();
int numNew = a.length;
ensureCapacityInternal(size + numNew); // Increments modCount
int numMoved = size - index;
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + numNew,
numMoved);
System.arraycopy(a, 0, elementData, index, numNew);
size += numNew;
return numNew != 0;
}
//范围删除方法
protected void removeRange(int fromIndex, int toIndex) {
modCount++;
int numMoved = size - toIndex;
System.arraycopy(elementData, toIndex, elementData, fromIndex,
numMoved);
// clear to let GC do its work
int newSize = size - (toIndex-fromIndex);
for (int i = newSize; i < size; i++) {
elementData[i] = null;
}
size = newSize;
}
//下标检测方法，如果不合法，抛出IndexOutOfBoundsException异常
private void rangeCheck(int index) {
if (index >= size)
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
/**
* A version of rangeCheck used by add and addAll.
*/
private void rangeCheckForAdd(int index) {
if (index > size || index < 0)
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
//溢出信息
private String outOfBoundsMsg(int index) {
return "Index: "+index+", Size: "+size;
}
//删除所有元素
public boolean removeAll(Collection<?> c) {
return batchRemove(c, false);
}
public boolean retainAll(Collection<?> c) {
return batchRemove(c, true);
}
private boolean batchRemove(Collection<?> c, boolean complement) {
final Object[] elementData = this.elementData;
int r = 0, w = 0;
boolean modified = false;
try {
for (; r < size; r++)
if (c.contains(elementData[r]) == complement)
elementData[w++] = elementData[r];
} finally {
// Preserve behavioral compatibility with AbstractCollection,
// even if c.contains() throws.
if (r != size) {
System.arraycopy(elementData, r,
elementData, w,
size - r);
w += size - r;
}
if (w != size) {
// clear to let GC do its work
for (int i = w; i < size; i++)
elementData[i] = null;
modCount += size - w;
size = w;
modified = true;
}
}
return modified;
}
//流操作方法，将对象写入输出流中
private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
throws java.io.IOException{
// Write out element count, and any hidden stuff
int expectedModCount = modCount;
s.defaultWriteObject();
// Write out size as capacity for behavioural compatibility with clone()
s.writeInt(size);
// Write out all elements in the proper order.
for (int i=0; i<size; i++) {
s.writeObject(elementData[i]);
}
if (modCount != expectedModCount) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
//流操作，读方法，将对象从流中取出
private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
// Read in size, and any hidden stuff
s.defaultReadObject();
// Read in capacity
s.readInt(); // ignored
if (size > 0) {
// be like clone(), allocate array based upon size not capacity
ensureCapacityInternal(size);
Object[] a = elementData;
// Read in all elements in the proper order.
for (int i=0; i<size; i++) {
a[i] = s.readObject();
}
}
}
//迭代方法，返回内部类实例
public ListIterator<E> listIterator(int index) {
if (index < 0 || index > size)
throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index);
return new ListItr(index);
}
//迭代方法，返回内部类实例
public ListIterator<E> listIterator() {
return new ListItr(0);
}
//迭代方法，返回内部类实例
public Iterator<E> iterator() {
return new Itr();
}
//内部类，实现Iterator接口
private class Itr implements Iterator<E> {
int cursor; // index of next element to return
int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such
int expectedModCount = modCount;
//是否还有下一个元素，返回true or false
public boolean hasNext() {
return cursor != size;
}
//返回元素
@SuppressWarnings("unchecked")
public E next() {
checkForComodification();
int i = cursor;
if (i >= size)
throw new NoSuchElementException();
Object[] elementData = ArrayList.this.elementData; //获取外部类的elementData数组
if (i >= elementData.length)
throw new ConcurrentModificationException();
cursor = i + 1;
return (E) elementData[lastRet = i];
}
//删除元素
public void remove() {
if (lastRet < 0)
throw new IllegalStateException();
checkForComodification();
try {
ArrayList.this.remove(lastRet); //调用外部类删除方法，删除指定位置的元素
cursor = lastRet;
lastRet = -1;
expectedModCount = modCount;
} catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
final void checkForComodification() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
//省略了ListItr、SubList两个内部类
}
4、重要方法解析
构造方法
ArrayList(int initialCapacity);
ArrayList();
ArrayList(Collection<? extends E> c);
上面是ArrayList的三个构造方法，使用三种方法都可以创建一个ArrayList集合，但是它们还是有一些区别，
- 使用第一个构造方法， 直接创建了指定大小的Object[]数组来创建集合，
- 使用第二个构造方法，创建的是一个空的数组，是将一个已经创建好的，使用static final 修饰的数组的引用赋值给了elementData ,此时的长度为零，当添加元素时， elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);完成了elementData新的初始化工作，此时的长度才为10。
- 第三种构造方法是将集合转化为ArrayList,在底层实现中，先调用集合的toArray()方法，并赋值给elementData ， 然后进行类型的判断，是如果类型不是Object[]类型，那么将使用反射生成一个Object[]的数组，并重新赋值给elementData。
扩容检测
数组有个明显的特点就是它的容量是固定不变的，一旦数组被创建则容量则无法改变。所以在往数组中添加指定元素前，首先要考虑的就是其容量是否饱和。
若接下来的添加操作会时数组中的元素超过其容量，则必须对其进行扩容操作。受限于数组容量固定不变的特性，扩容的本质其实就是创建一个容量更大的新数组，再将旧数组的元素复制到新数组当中去。
这里以 ArrayList 的 添加操作为例，来看下 ArrayList 内部数组扩容的过程。
public boolean add(E e) {
// 关键 -> 添加之前，校验容量
ensureCapacityInternal(size + 1);
// 修改 size，并在数组末尾添加指定元素
elementData[size++] = e;
return true;
}
可以发现 ArrayList 在进行添加操作前，会检验内部数组容量并选择性地进行数组扩容。在 ArrayList 中，通过私有方法 ensureCapacityInternal 来进行数组的扩容操作。下面来看具体的实现过程：
- 扩容操作的第一步会去判断当前 ArrayList 内部数组是否为空，为空则将最小容量 minCapacity 设置为 10。
// 内部数组的默认容量
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
// 空的内部数组
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
// 关键 -> minCapacity = seize+1，即表示执行完添加操作后，数组中的元素个数
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
// 判断内部数组是否为空
if (elementData == EMPTY_ELEMENTDATA) {
// 设置数组最小容量（>=10）
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
- 接着判断添加操作会不会导致内部数组的容量饱和。
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
modCount++;
// 判断结果为 true，则表示接下来的添加操作会导致元素数量超出数组容量
if (minCapacity - elementData.length > 0){
// 真正的扩容操作
grow(minCapacity);
}
}
- 数组容量不足，则进行扩容操作，关键的地方有两个：扩容公式、通过从旧数组复制元素到新数组完成扩容操作。
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
private void grow(int minCapacity) {
int oldCapacity = elementData.length;
// 关键-> 容量扩充公式
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
// 针对新容量的一系列判断
if (newCapacity - minCapacity < 0){
newCapacity = minCapacity;
}
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0){
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
}
// 关键 -> 复制旧数组元素到新数组中去
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
if (minCapacity < 0){
throw new OutOfMemoryError();
}
return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ? Integer.MAX_VALUE : MAX_ARRAY_SIZE;
}
关于 ArrayList 扩容操作，整个过程如下图：
添加方法
通过上面的分析，可以了解到针对 ArrayList 增加改查其实本质就是操作数组。
ArrayList 的添加操作，也就是往其内部数组添加元素的过程。首先要确保就是数组有足够的空间来存放元素，因此也就有了扩容检测这一步骤。
该操作可分为两种方式：指定位置（添加到数组指定位置）、不指定位置（添加到数组末尾）。
- 不指定位置时，则默认将新元素存放到数组的末尾位置。过程相对简单，这里不再分析。
- 指定位置时，即将新元素存在到数组的指定位置。若该位置不是数组末尾（即该位置后面还存有元素），则需要将该位置及之后的元素后移一位，以腾出空间来存放新元素。
指定位置（添加到数组指定位置）
public void add(int index, E element) {
// 校验添加位置，必须在内部数组的容量范围内
rangeCheckForAdd(index);
// 扩容检测
ensureCapacityInternal(size + 1);
// 关键 -> 数组内位置为 index 到 （size-1）的元素往后移动一位，这里仍然采用数组复制实现
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index);
// 腾出新空间添加新元素
elementData[index] = element;
// 修改数组内的元素数量
size++;
}
private void rangeCheckForAdd(int index) {
if (index > size || index < 0){
// 抛出异常...
}
}
分析代码，在没有扩容操作的情况下，整个过程如下：
不指定位置（添加到数组末尾）
public boolean add(E e) {
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
elementData[size++] = e;
return true;
}
添加方法，首先判断要添加的位置是否超出了数组的容量，如果当前已经没有位置进行存放的时候，ArrayList进行自动的扩容，扩容成功后，将元素放入size位置，并且size完成自加操作
修改方法
修改方法，就是替换指定位置上的元素。原理相对简单，这里直接贴出源码。
public E set(int index, E element) {
rangeCheck(index);
E oldValue = elementData(index);
elementData[index] = element;
return oldValue;
}
删除方法
ArrayList 的删除操作同样存在两种方式：删除指定位置的元素、删除指定元素。后者相较于前者多了一个查询指定元素所处位置的过程。
删除指定位置的元素时，需判断该位置是否在数组末尾，若是则将该位置的元素置空让 GC 自动回收；若不是，则需要将该位置之后的元素前移一位，覆盖掉该元素以到达删除的效果，同时需要清空末尾位置的元素。
public E remove(int index) {
rangeCheck(index);
modCount++;
// 取得该位置的元素
E oldValue = elementData(index);
// 判断该位置是否为数组末尾
int numMoved = size - index - 1;
// 若是，则将数组中位置为 idnex+1 到 size -1 元素前移一位
if (numMoved > 0){
System.arraycopy(elementData, index + 1, elementData, index, numMoved);
}
// 关键 -> 清空末尾元素让 GC 生效，并修改数组中的元素个数（实现的十分巧妙）
elementData[--size] = null;
return oldValue;
}
E elementData(int index) {
return (E) elementData[index];
}
分析代码，若指定位置不在数组末尾时的删除过程如下：
删除方法，删除指定位置的元素，首先进行索引合法性的判断，如果索引不合法抛出IndexOutOfBoundsException异常，否则，从elementData的索引index+1的位置开始，都依次向前移动一个位置，并将最后一个位置的索引设置为null, 等待垃圾处理机制回收。
遍历方式
List<String> list = new ArrayList<>() ;
//第一种
for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
list.get(i);
}
//第二种
for (Iterator iter = list.iterator(); iter.hasNext(); ) {
iter.next();
}
//第三种
for (Object obj : list)
;
//第四种 ， 只支持JDK1.8+
list.forEach(
e->{
;
}
);
在集合的数量非常小的情况的，一二三中的遍历速度没有显著的差别，但是随之数量的增加，第一中方式最快，第三种方法第二，第二种第三，第四种最慢。
Arrays.copy()和System.copy()
在源码中多次出现了Arrays.copyOf()和System.copyOf()方法，来看一下这两个方法的区别和联系
//Arrays.copyOf()
public static <T,U> T[] copyOf(U[] original, int newLength, Class<? extends T[]> newType) {
@SuppressWarnings("unchecked")
T[] copy = ((Object)newType == (Object)Object[].class)
? (T[]) new Object[newLength]
: (T[]) Array.newInstance(newType.getComponentType(), newLength);
System.arraycopy(original, 0, copy, 0,
Math.min(original.length, newLength));
return copy;
}
//System.copyOf()
public static native void arraycopy(Object src, int srcPos,
Object dest, int destPos,
int length);
通过源码不难看出，Arrays.copyOf()是依靠System.copyOf()方法来实现的。而System.copyOf()的方式被native关键字修饰，这说明它调用的是c++的底层函数，已经不是java的范围。 它们两者的主要是区别是，Arrays.copyOf()不仅仅是拷贝数组中的元素，在拷贝数组元组的时候会生成一个新的数组对象，但是System.copyOf()仅仅是拷贝数组中的元素。
5、总结
- ArrayList是基于数组实现的List类。会自动的进行扩容，采用Arrays.copyOf()实现
- 如果在创建ArrayList时，可以知道ArrayList元素的数量最好指定初始容量，这样可以避免ArrayList的自动多次扩容问题。
- 与 LinkedList 相比，ArrayList 适用于频繁查询的场景，而不适用于频繁修改的场景； 与 Vector 相比，ArrayList 的所有操作都是非线程安全的。
- 线程不安全
了解更多（链接）
LinkedList底层实现原理
1、概述
文章的内容基于JDK1.7进行分析，之所以选用这个版本，是因为1.8的有些类做了改动，增加了阅读的难度，虽然是1.7，但是对于1.8做了重大改动的内容，文章也会进行说明。
LinkedList类是List接口的实现类，它是一个集合，可以根据索引来随机的访问集合中的元素，还实现了Deque接口，它还是一个队列，可以被当成双端队列来使用。虽然LinkedList是一个List集合，但是它的实现方式和ArrayList是完全不同的，ArrayList的底层是通过一个动态的Object[]数组来实现的，而LinkedList的底层是通过链表来实现的，因此它的随机访问速度是比较差的，但是它的删除，插入操作会很快。
- LinkedList是基于双向循环链表实现的，除了可以当做链表来操作外，它还可以当做栈、队列和双端队列来使用。
- LinkedList同样是非线程安全的，只在单线程下适合使用。
- LinkedList实现了Serializable接口，因此它支持序列化，能够通过序列化传输，实现了Cloneable接口，能被克隆。
2、数据结构
继承关系
java.lang.Object java.util.AbstractCollection<E> java.util.AbstractList<E> java.util.AbstractSequentialList<E> java.util.LinkedList<E> 实现接口
Serializable, Cloneable, Iterable<E>, Collection<E>, Deque<E>, List<E>, Queue<E> 基本属性
transient int size = 0; //LinkedList中存放的元素个数 transient Node<E> first; //头节点 transient Node<E> last; //尾节点
3、什么是链表
链表是由一系列非连续的节点组成的存储结构，简单分下类的话，链表又分为单向链表和双向链表，而单向/双向链表又可以分为循环链表和非循环链表，下面简单就这四种链表进行图解说明。
单向链表
单向链表就是通过每个结点的指针指向下一个结点从而链接起来的结构，最后一个节点的next指向null。
单向循环列表
单向循环链表和单向列表的不同是，最后一个节点的next不是指向null，而是指向head节点，形成一个“环”。
双向链表
从名字就可以看出，双向链表是包含两个指针的，pre指向前一个节点，next指向后一个节点，但是第一个节点head的pre指向null，最后一个节点的next指向null。
双向循环链表
双向循环链表和双向链表的不同在于，第一个节点的pre指向最后一个节点，最后一个节点的next指向第一个节点，也形成一个“环”。而LinkedList就是基于双向循环链表设计的。
4、源码解析
LinkedList是通过双向链表去实现的，既然是链表实现那么它的随机访问效率比ArrayList要低，顺序访问的效率要比较的高。每个节点都有一个前驱（之前前面节点的指针）和一个后继（指向后面节点的指针），效果如下图：
public class LinkedList<E>extends AbstractSequentialList<E>
implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable {
transient int size = 0; //LinkedList中存放的元素个数
transient Node<E> first; //头节点
transient Node<E> last; //尾节点
//构造方法，创建一个空的列表
public LinkedList() {
}
//将一个指定的集合添加到LinkedList中，先完成初始化，在调用添加操作
public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
this();
addAll(c);
}
//插入头节点
private void linkFirst(E e) {
final Node<E> f = first; //将头节点赋值给f节点
//new 一个新的节点，此节点的data = e , pre = null , next - > f
final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
first = newNode; //将新创建的节点地址复制给first
if (f == null) //f == null，表示此时LinkedList为空
last = newNode; //将新创建的节点赋值给last
else
f.prev = newNode; //否则f.前驱指向newNode
size++;
modCount++;
}
//插入尾节点
void linkLast(E e) {
final Node<E> l = last;
final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
last = newNode;
if (l == null)
first = newNode;
else
l.next = newNode;
size++;
modCount++;
}
//在succ节点前插入e节点，并修改各个节点之间的前驱后继
void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
// assert succ != null;
final Node<E> pred = succ.prev;
final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
succ.prev = newNode;
if (pred == null)
first = newNode;
else
pred.next = newNode;
size++;
modCount++;
}
//删除头节点
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;
if (next == null)
last = null;
else
next.prev = null;
size--;
modCount++;
return element;
}
//删除尾节点
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;
if (prev == null)
first = null;
else
prev.next = null;
size--;
modCount++;
return element;
}
//删除指定节点
E unlink(Node<E> x) {
// assert x != null;
final E element = x.item;
final Node<E> next = x.next; //获取指定节点的前驱
final Node<E> prev = x.prev; //获取指定节点的后继
if (prev == null) {
first = next; //如果前驱为null, 说明此节点为头节点
} else {
prev.next = next; //前驱结点的后继节点指向当前节点的后继节点
x.prev = null; //当前节点的前驱置空
}
if (next == null) { //如果当前节点的后继节点为null ,说明此节点为尾节点
last = prev;
} else {
next.prev = prev; //当前节点的后继节点的前驱指向当前节点的前驱节点
x.next = null; //当前节点的后继置空
}
x.item = null; //当前节点的元素设置为null ,等待垃圾回收
size--;
modCount++;
return element;
}
//获取LinkedList中的第一个节点信息
public E getFirst() {
final Node<E> f = first;
if (f == null)
throw new NoSuchElementException();
return f.item;
}
//获取LinkedList中的最后一个节点信息
public E getLast() {
final Node<E> l = last;
if (l == null)
throw new NoSuchElementException();
return l.item;
}
//删除头节点
public E removeFirst() {
final Node<E> f = first;
if (f == null)
throw new NoSuchElementException();
return unlinkFirst(f);
}
//删除尾节点
public E removeLast() {
final Node<E> l = last;
if (l == null)
throw new NoSuchElementException();
return unlinkLast(l);
}
//将添加的元素设置为LinkedList的头节点
public void addFirst(E e) {
linkFirst(e);
}
//将添加的元素设置为LinkedList的尾节点
public void addLast(E e) {
linkLast(e);
}
//判断LinkedList是否包含指定的元素
public boolean contains(Object o) {
return indexOf(o) != -1;
}
//返回List中元素的数量
public int size() {
return size;
}
//在LinkedList的尾部添加元素
public boolean add(E e) {
linkLast(e);
return true;
}
//删除指定的元素
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;
}
//将集合中的元素添加到List中
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
return addAll(size, c);
}
//将集合中的元素全部插入到List中，并从指定的位置开始
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
checkPositionIndex(index);
Object[] a = c.toArray(); //将集合转化为数组
int numNew = a.length; //获取集合中元素的数量
if (numNew == 0) //集合中没有元素，返回false
return false;
Node<E> pred, succ;
if (index == size) {
succ = null;
pred = last;
} else {
succ = node(index); //获取位置为index的结点元素，并赋值给succ
pred = succ.prev;
}
for (Object o : a) { //遍历数组进行插入操作。修改节点的前驱后继
@SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) o;
Node<E> 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;
}
//删除List中所有的元素
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
for (Node<E> x = first; x != null; ) {
Node<E> next = x.next;
x.item = null;
x.next = null;
x.prev = null;
x = next;
}
first = last = null;
size = 0;
modCount++;
}
//获取指定位置的元素
public E get(int index) {
checkElementIndex(index);
return node(index).item;
}
//将节点防止在指定的位置
public E set(int index, E element) {
checkElementIndex(index);
Node<E> x = node(index);
E oldVal = x.item;
x.item = element;
return oldVal;
}
//将节点放置在指定的位置
public void add(int index, E element) {
checkPositionIndex(index);
if (index == size)
linkLast(element);
else
linkBefore(element, node(index));
}
//删除指定位置的元素
public E remove(int index) {
checkElementIndex(index);
return unlink(node(index));
}
//判断索引是否合法
private boolean isElementIndex(int index) {
return index >= 0 && index < size;
}
//判断位置是否合法
private boolean isPositionIndex(int index) {
return index >= 0 && index <= size;
}
//索引溢出信息
private String outOfBoundsMsg(int index) {
return "Index: "+index+", Size: "+size;
}
//检查节点是否合法
private void checkElementIndex(int index) {
if (!isElementIndex(index))
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
//检查位置是否合法
private void checkPositionIndex(int index) {
if (!isPositionIndex(index))
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
//返回指定位置的节点信息
//LinkedList无法随机访问，只能通过遍历的方式找到相应的节点
//为了提高效率，当前位置首先和元素数量的中间位置开始判断，小于中间位置，
//从头节点开始遍历，大于中间位置从尾节点开始遍历
Node<E> node(int index) {
// assert isElementIndex(index);
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;
}
}
//返回第一次出现指定元素的位置
public int indexOf(Object o) {
int index = 0;
if (o == null) {
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
if (x.item == null)
return index;
index++;
}
} else {
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
if (o.equals(x.item))
return index;
index++;
}
}
return -1;
}
//返回最后一次出现元素的位置
public int lastIndexOf(Object o) {
int index = size;
if (o == null) {
for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) {
index--;
if (x.item == null)
return index;
}
} else {
for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) {
index--;
if (o.equals(x.item))
return index;
}
}
return -1;
}
//弹出第一个元素的值
public E peek() {
final Node<E> f = first;
return (f == null) ? null : f.item;
}
//获取第一个元素
public E element() {
return getFirst();
}
//弹出第一元素，并删除
public E poll() {
final Node<E> f = first;
return (f == null) ? null : unlinkFirst(f);
}
//删除第一个元素
public E remove() {
return removeFirst();
}
//添加到尾部
public boolean offer(E e) {
return add(e);
}
//添加到头部
public boolean offerFirst(E e) {
addFirst(e);
return true;
}
//插入到最后一个元素
public boolean offerLast(E e) {
addLast(e);
return true;
}
//队列操作
//尝试弹出第一个元素，但是不删除元素
public E peekFirst() {
final Node<E> f = first;
return (f == null) ? null : f.item;
}
//队列操作
//尝试弹出最后一个元素，不删除
public E peekLast() {
final Node<E> l = last;
return (l == null) ? null : l.item;
}
//弹出第一个元素，并删除
public E pollFirst() {
final Node<E> f = first;
return (f == null) ? null : unlinkFirst(f);
}
//弹出最后一个元素，并删除
public E pollLast() {
final Node<E> l = last;
return (l == null) ? null : unlinkLast(l);
}
//如队列，添加到头部
public void push(E e) {
addFirst(e);
}
//出队列删除第一个节点
public E pop() {
return removeFirst();
}
//删除指定元素第一次出现的位置
public boolean removeFirstOccurrence(Object o) {
return remove(o);
}
//删除指定元素最后一次出现的位置
public boolean removeLastOccurrence(Object o) {
if (o == null) {
for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) {
if (x.item == null) {
unlink(x);
return true;
}
}
} else {
for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) {
if (o.equals(x.item)) {
unlink(x);
return true;
}
}
}
return false;
}
//遍历方法
public ListIterator<E> listIterator(int index) {
checkPositionIndex(index);
return new ListItr(index);
}
//内部类，实现ListIterator接口
private class ListItr implements ListIterator<E> {
private Node<E> lastReturned = null;
private Node<E> next;
private int nextIndex;
private int expectedModCount = modCount;
ListItr(int index) {
// assert isPositionIndex(index);
next = (index == size) ? null : node(index);
nextIndex = index;
}
public boolean hasNext() {
return nextIndex < size;
}
public E next() {
checkForComodification();
if (!hasNext())
throw new NoSuchElementException();
lastReturned = next;
next = next.next;
nextIndex++;
return lastReturned.item;
}
public boolean hasPrevious() {
return nextIndex > 0;
}
public E previous() {
checkForComodification();
if (!hasPrevious())
throw new NoSuchElementException();
lastReturned = next = (next == null) ? last : next.prev;
nextIndex--;
return lastReturned.item;
}
public int nextIndex() {
return nextIndex;
}
public int previousIndex() {
return nextIndex - 1;
}
public void remove() {
checkForComodification();
if (lastReturned == null)
throw new IllegalStateException();
Node<E> lastNext = lastReturned.next;
unlink(lastReturned);
if (next == lastReturned)
next = lastNext;
else
nextIndex--;
lastReturned = null;
expectedModCount++;
}
public void set(E e) {
if (lastReturned == null)
throw new IllegalStateException();
checkForComodification();
lastReturned.item = e;
}
public void add(E e) {
checkForComodification();
lastReturned = null;
if (next == null)
linkLast(e);
else
linkBefore(e, next);
nextIndex++;
expectedModCount++;
}
final void checkForComodification() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
//静态内部类，创建节点
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;
}
}
/**
* @since 1.6
*/
public Iterator<E> descendingIterator() {
return new DescendingIterator();
}
/**
* Adapter to provide descending iterators via ListItr.previous
*/
private class DescendingIterator implements Iterator<E> {
private final ListItr itr = new ListItr(size());
public boolean hasNext() {
return itr.hasPrevious();
}
public E next() {
return itr.previous();
}
public void remove() {
itr.remove();
}
}
@SuppressWarnings("unchecked")
private LinkedList<E> superClone() {
try {
return (LinkedList<E>) super.clone();
} catch (CloneNotSupportedException e) {
throw new InternalError();
}
}
/**
* Returns a shallow copy of this {@code LinkedList}. (The elements
* themselves are not cloned.)
*
* @return a shallow copy of this {@code LinkedList} instance
*/
public Object clone() {
LinkedList<E> clone = superClone();
// Put clone into "virgin" state
clone.first = clone.last = null;
clone.size = 0;
clone.modCount = 0;
// Initialize clone with our elements
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next)
clone.add(x.item);
return clone;
}
public Object[] toArray() {
Object[] result = new Object[size];
int i = 0;
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next)
result[i++] = x.item;
return result;
}
@SuppressWarnings("unchecked")
public <T> T[] toArray(T[] a) {
if (a.length < size)
a = (T[])java.lang.reflect.Array.newInstance(
a.getClass().getComponentType(), size);
int i = 0;
Object[] result = a;
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next)
result[i++] = x.item;
if (a.length > size)
a[size] = null;
return a;
}
private static final long serialVersionUID = 876323262645176354L;
//将对象写入到输出流中
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.
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next)
s.writeObject(x.item);
}
//从输入流中将对象读出
@SuppressWarnings("unchecked")
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());
}
}
5、重要方法解析
LinkedList()
LinkedList(Collection<? extends E> c)
LinkedList没有长度的概念，所以不存在容量不足的问题，因此不需要提供初始化大小的构造方法，因此值提供了两个方法，一个是无参构造方法，初始一个LinkedList对象，和将指定的集合元素转化为LinkedList构造方法。
添加方法
public boolean add(E e) {
linkLast(e);
return true;
}
void linkLast(E e) {
final Node<E> l = last;
final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
last = newNode;
if (l == null)
first = newNode;
else
l.next = newNode;
size++;
modCount++;
}
添加方法默认是添加到LinkedList的尾部，首先将last指定的节点赋值给l节点，然后新建节点newNode ,此节点的前驱指向l节点，data = e , next = null , 并将新节点赋值给last节点，它成为了最后一个节点，根据当前List是否为空做出相应的操作。若不为空将l的后继指针修改为newNodw。 size +1 , modCount＋１
删除方法
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;
}
删除方法，先循环遍历列表，找到item == o 的节点，在调用unlink()方法删除
6、总结
- LinkedList是一个功能很强大的类，可以被当作List集合，双端队列和栈来使用。
- LinkedList底层使用链表来保存集合中的元素，因此随机访问的性能较差，但是插入删除时性能非常的出色。
- LinkedList在1.8版本有添加了一点新的内容，添加了一个static final 修饰的内部类LLSpliterator 并实现了Spliterator ，为了实现并行遍历而新添加的功能，整体的变化并不是很大，感兴趣的可以自己去看一下。
7、List实现类的使用场景
- ArrayList，底层采用数组实现，如果需要遍历集合元素，应该使用随机访问的方式，对于LinkedList集合应该采用迭代器的方式
- 如果需要经常的插入。删除操作可以考虑使用LinkedList集合
- 如果有多个线程需要同时访问List集合中的元素，开发者可以考虑使用Collections将集合包装成线程安全的集合。
8、补充说明
-
从源码中很明显可以看出，LinkedList的实现是基于双向循环链表的，且头结点中不存放数据。
-
注意两个不同的构造方法。无参构造方法直接建立一个仅包含head节点的空链表，包含Collection的构造方法，先调用无参构造方法建立一个空链表，而后将Collection中的数据加入到链表的尾部后面。
-
在查找和删除某元素时，源码中都划分为该元素为null和不为null两种情况来处理，LinkedList中允许元素为null。
-
LinkedList是基于链表实现的，因此不存在容量不足的问题，所以这里没有扩容的方法。
-
注意源码中的Entry entry(int index)方法。该方法返回双向链表中指定位置处的节点，而链表中是没有下标索引的，要指定位置出的元素，就要遍历该链表，从源码的实现中，我们看到这里有一个加速动作。源码中先将index与长度size的一半比较，如果index
size/2，就只从位置size往前遍历到位置index处。这样可以减少一部分不必要的遍历，从而提高一定的效率（实际上效率还是很低）。 -
注意链表类对应的数据结构Entry。
-
LinkedList是基于链表实现的，因此插入删除效率高，查找效率低（虽然有一个加速动作）。
-
要注意源码中还实现了栈和队列的操作方法，因此也可以作为栈、队列和双端队列来使用。
了解详情
ArrayList、LinkedList、Vector三者的区别
List常用的是 ArrayList和LinkedList
ArrayList底层使用的是数组 LinkedList使用的是链表。
数组查询具有索引，查询特定元素比较快，而插入和删除和修改比较慢（数组在内存中会是一块连续的内存，如果插入或删除是需要移动内存）
链表不要求内存是连续的 在当前元素中存放下一个或上一个元素的地址，查询时需要从头部开始，一个一个找，所以查询效率低，插入时不需要移动内存，只需改变引用指向即可，所以插入或者查询的效率高。
存储结构
ArrayList和Vector是按照顺序将元素存储（从下表为0开始），删除元素时，删除操作完成后，需要使部分元素移位，默认的初始容量都是10.
ArrayList和Vector是基于数组实现的，LinkedList是基于双向链表实现的（含有头结点）。
线程安全性能
ArrayList不具有有线程安全性，在单线程的环境中，LinkedList也是线程不安全的，如果在并发环境下使用它们，可以用Collections类中的静态方法synchronizedList(）对ArrayList和LinkedList进行调用即可。
Vector实现线程安全的，即它大部分的方法都包含关键字synchronized,但是Vector的效率没有ArraykList和LinkedList高。
扩容机制
从内部实现机制来讲，ArrayList和Vector都是使用Object的数组形式来存储的，当向这两种类型中增加元素的时候，若容量不够，需要进行扩容。ArrayList扩容后的容量是之前的1.5倍，然后把之前的数据拷贝到新建的数组中去。而Vector默认情况下扩容后的容量是之前的2倍。
Vector可以设置容量增量，而ArrayList不可以。在Vector中，有capacityIncrement：当大小大于其容量时，容量自动增加的量。如果在创建Vector时，指定了capacityIncrement的大小，则Vector中动态数组容量需要增加时，如果容量的增量大于0，则增加的是大小是capacityIncrement，如果增量小于0，则增大为之前的2倍。
在这里需要说一下可变长度数组的原理：当元素个数超过数组的长度时，会产生一个新的数组，将原数组的数据复制到新数组，再将新的元素添加到新数组中。
增删改查的效率
ArrayList和Vector中，从指定的位置检索一个对象，或在集合的末尾插入、删除一个元素的时间是一样的，时间复杂度都是O（1）。但是如果在其他位置增加或者删除元素花费的时间是O（n）,LinkedList中，在插入、删除任何位置的元素所花费的时间都是一样的，时间复杂度都为O（1），但是他在检索一个元素的时间复杂度为O（n）.
所以如果只是查找特定位置的元素或只在集合的末端增加移动元素，那么使用ArrayList或Vector都是一样的。如果是在指定位置的插入、删除元素，最好选择LinkedList
使用场景：
ArrayList使用在查询比较多，但是插入和删除比较少的情况，而LinkedList使用在查询比较少而插入和删除比较多的情况