前言
大家好，我是小彭。
在上一篇文章里，我们聊到了基于动态数组 ArrayList 线性表，今天我们来讨论一个基于链表的线性表 —— LinkedList。
思维导图：
1. LinkedList 的特点
1.1 说一下 ArrayList 和 LinkedList 的区别？
- 1、数据结构： 在数据结构上，ArrayList 和 LinkedList 都是 “线性表”，都继承于 Java 的
List接口。另外 LinkedList 还实现了 Java 的Deque接口，是基于链表的栈或队列，与之对应的是ArrayDeque基于数组的栈或队列； - 2、线程安全： ArrayList 和 LinkedList 都不考虑线程同步，不保证线程安全；
- 3、底层实现： 在底层实现上，ArrayList 是基于动态数组的，而 LinkedList 是基于双向链表的。事实上，它们很多特性的区别都是因为底层实现不同引起的。比如说：
- 在遍历速度上： 数组是一块连续内存空间，基于局部性原理能够更好地命中 CPU 缓存行，而链表是离散的内存空间对缓存行不友好；
- 在访问速度上： 数组是一块连续内存空间，支持 O(1) 时间复杂度随机访问，而链表需要 O(n) 时间复杂度查找元素；
- 在添加和删除操作上： 如果是在数组的末尾操作只需要 O(1) 时间复杂度，但在数组中间操作需要搬运元素，所以需要 O(n)时间复杂度，而链表的删除操作本身只是修改引用指向，只需要 O(1) 时间复杂度（如果考虑查询被删除节点的时间，复杂度分析上依然是 O(n)，在工程分析上还是比数组快）；
- 额外内存消耗上： ArrayList 在数组的尾部增加了闲置位置，而 LinkedList 在节点上增加了前驱和后继指针。
1.2 LinkedList 的多面人生
在数据结构上，LinkedList 不仅实现了与 ArrayList 相同的 List 接口，还实现了 Deque 接口（继承于 Queue 接口）。
Deque 接口表示一个双端队列（Double Ended Queue），允许在队列的首尾两端操作，所以既能实现队列行为，也能实现栈行为。
Queue 接口：
| 拒绝策略 | 抛异常 | 返回特殊值 |
|---|---|---|
| 入队（队尾） | add(e) | offer(e) |
| 出队（队头） | remove() | poll() |
| 观察（队头） | element() | peek() |
Queue 的 API 可以分为 2 类，区别在于方法的拒绝策略上：
-
抛异常：
- 向空队列取数据，会抛出 NoSuchElementException 异常；
- 向容量满的队列加数据，会抛出 IllegalStateException 异常。
-
返回特殊值：
- 向空队列取数据，会返回 null；
- 向容量满的队列加数据，会返回 false。
Deque 接口：
Java 没有提供标准的栈接口（很好奇为什么不提供），而是放在 Deque 接口中：
| 拒绝策略 | 抛异常 | 等价于 |
|---|---|---|
| 入栈 | push(e) | addFirst(e) |
| 出栈 | pop() | removeFirst() |
| 观察（栈顶） | peek() | peekFirst() |
除了标准的队列和栈行为，Deque 接口还提供了 12 个在两端操作的方法：
| 拒绝策略 | 抛异常 | 返回值 |
|---|---|---|
| 增加 | addFirst(e)/ addLast(e) | offerFirst(e)/ offerLast(e) |
| 删除 | removeFirst()/ removeLast() | pollFirst()/ pollLast() |
| 观察 | getFirst()/ getLast() | peekFirst()/ peekLast() |
2. LinkedList 源码分析
这一节，我们来分析 LinkedList 中主要流程的源码。
2.1 LinkedList 的属性
- LinkedList 底层是一个 Node 双向链表，Node 节点中会持有数据 E 以及 prev 与next 两个指针；
- LinkedList 用
first和last指针指向链表的头尾指针。
LinkedList 的属性很好理解的，不出意外的话又有小朋友出来举手提问了：
- ♀️ 疑问 1：为什么字段都不声明
private关键字？
这个问题直接回答吧。我的理解是：因为内部类在编译后会生成独立的 Class 文件，如果外部类的字段是 private 类型，那么编译器就需要通过方法调用，而 non-private 字段就可以直接访问字段。
- ♀️ 疑问 2：为什么字段都声明
transient关键字？
这个问题我们在分析源码的过程中回答。
疑问比 ArrayList 少很多，LinkedList 真香（还是别高兴得太早吧）。
public class LinkedList
extends AbstractSequentialList
implements List, Deque, Cloneable, java.io.Serializable {
// 疑问 1：为什么字段都不声明 private 关键字？
// 疑问 2：为什么字段都声明 transient 关键字？
// 元素个数
transient int size = 0;
// 头指针
transient Node first;
// 尾指针
transient Node last;
// 链表节点
private static class Node {
// 节点数据
// （类型擦除后：Object item;）
E item;
// 前驱指针
Node next;
// 后继指针
Node prev;
Node(Node prev, E element, Node next) {
this.item = element;
this.next = next;
this.prev = prev;
}
}
}
2.2 LinkedList 的构造方法
LinkedList 有 2 个构造方法：
- 1、无参构造方法： no-op；
- 2、带集合的构造： 在链表末尾添加整个集合，内部调用了 addAll 方法将整个集合添加到数组的末尾。
// 无参构造方法
public LinkedList() {
}
// 带集合的构造方法
public LinkedList(Collection c) {
this();
addAll(c);
}
// 在链表尾部添加集合
public boolean addAll(Collection c) {
// 索引为 size，等于在链表尾部添加
return addAll(size, c);
}
2.3 LinkedList 的添加方法
LinkedList 提供了非常多的 addXXX 方法，内部都是调用一系列 linkFirst、linkLast 或 linkBefore 完成的。如果在链表中间添加节点时，会用到 node(index) 方法查询指定位置的节点。
其实，我们会发现所有添加的逻辑都可以用 6 个步骤概括：
- 步骤 1： 找到插入位置的后继节点（在头部插入就是 first，在尾部插入就是 null）；
- 步骤 2： 构造新节点；
- 步骤 3： 将新节点的 prev 指针指向前驱节点（在头部插入就是 null，在尾部插入就是 last）；
- 步骤 4： 将新节点的 next 指针指向后继节点（在头部插入就是 first，在尾部插入就是 null）；
- 步骤 5： 将前驱节点的 next 指针指向新节点（在头部插入没有这个步骤）；
- 步骤 6： 将后继节点的 prev 指针指向新节点（在尾部插入没有这个步骤）。
分析一下添加方法的时间复杂度，区分在链表两端或中间添加元素的情况共：
- 如果是在链表首尾两端添加： 只需要 O(1) 时间复杂度；
- 如果在链表中间添加： 由于需要定位到添加位置的前驱和后继节点，所以需要 O(n) 时间复杂度。如果事先已经获得了添加位置的节点，就只需要 O(1) 时间复杂度。
添加方法
public void addFirst(E e) {
linkFirst(e);
}
public void addLast(E e) {
linkLast(e);
}
public boolean add(E e) {
linkLast(e);
return true;
}
public void add(int index, E element) {
checkPositionIndex(index);
if (index == size)
// 在尾部添加
linkLast(element);
else
// 在指定位置添加
linkBefore(element, node(index));
}
public boolean addAll(Collection c) {
return addAll(size, c);
}
// 在链表头部添加
private void linkFirst(E e) {
// 1. 找到插入位置的后继节点（first）
final Node f = first;
// 2. 构造新节点
// 3. 将新节点的 prev 指针指向前驱节点（null）
// 4. 将新节点的 next 指针指向后继节点（f）
// 5. 将前驱节点的 next 指针指向新节点（前驱节点是 null，所以没有这个步骤）
final Node newNode = new Node<>(null, e, f);
// 修改 first 指针
first = newNode;
if (f == null)
// f 为 null 说明首个添加的元素，需要修改 last 指针
last = newNode;
else
// 6. 将后继节点的 prev 指针指向新节点
f.prev = newNode;
size++;
modCount++;
}
// 在链表尾部添加
void linkLast(E e) {
final Node l = last;
// 1. 找到插入位置的后继节点（null）
// 2. 构造新节点
// 3. 将新节点的 prev 指针指向前驱节点（l）
// 4. 将新节点的 next 指针指向后继节点（null）
final Node newNode = new Node<>(l, e, null);
// 修改 last 指针
last = newNode;
if (l == null)
// l 为 null 说明首个添加的元素，需要修改 first 指针
first = newNode;
else
// 5. 将前驱节点的 next 指针指向新节点
l.next = newNode;
// 6. 将后继节点的 prev 指针指向新节点（后继节点是 null，所以没有这个步骤）
size++;
modCount++;
}
// 在指定节点前添加
// 1. 找到插入位置的后继节点
void linkBefore(E e, Node succ) {
final Node pred = succ.prev;
// 2. 构造新节点
// 3. 将新节点的 prev 指针指向前驱节点（pred）
// 4. 将新节点的 next 指针指向后继节点（succ）
final Node newNode = new Node<>(pred, e, succ);
succ.prev = newNode;
if (pred == null)
first = newNode;
else
// 5. 将前驱节点的 next 指针指向新节点
pred.next = newNode;
size++;
modCount++;
}
// 在指定位置添加整个集合元素
// index 为 0：在链表头部添加
// index 为 size：在链表尾部添加
public boolean addAll(int index, Collection c) {
checkPositionIndex(index);
// 事实上，c.toArray() 的实际类型不一定是 Object[]，有可能是 String[] 等
// 不过，我们是通过 Node中的item 承接的，所以不用担心 ArrayList 中的 ArrayStoreException 问题
Object[] a = c.toArray();
// 添加的数组为空，跳过
int numNew = a.length;
if (numNew == 0)
return false;
// 1. 找到插入位置的后继节点
// pred：插入位置的前驱节点
// succ：插入位置的后继节点
Node pred, succ;
if (index == size) {
succ = null;
pred = last;
} else {
// 找到 index 位置原本的节点，插入后变成后继节点
succ = node(index);
pred = succ.prev;
}
// 插入集合元素
for (Object o : a) {
E e = (E) o;
// 2. 构造新节点
// 3. 将新节点的 prev 指针指向前驱节点
Node newNode = new Node<>(pred, e, null);
if (pred == null)
// pred 为 null 说明是在头部插入，需要修改 first 指针
first = newNode;
else
// 5. 将前驱节点的 next 指针指向新节点
pred.next = newNode;
// 修改前驱指针
pred = newNode;
}
if (succ == null) {
// succ 为 null 说明是在尾部插入，需要修改 last 指针
last = pred;
} else {
// 4. 将新节点的 next 指针指向后继节点
pred.next = succ;
// 6. 将后继节点的 prev 指针指向新节点
succ.prev = pred;
}
// 数量增加 numNew
size += numNew;
modCount++;
return true;
}
// 将 LinkedList 转化为 Object 数组
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;
}
在链表中间添加节点时，会用到 node(index) 方法查询指定位置的节点。可以看到维持 first 和 last 头尾节点的作用又发挥出来了：
- 如果索引位置小于 size/2，则从头节点开始找；
- 如果索引位置大于 size/2，则从尾节点开始找。
虽然，我们从复杂度分析的角度看，从哪个方向查询是没有区别的，时间复杂度都是 O(n)。但从工程分析的角度看还是有区别的，从更靠近目标节点的位置开始查询，实际执行的时间会更短。
查询指定位置节点
// 寻找指定位置的节点，时间复杂度：O(n)
Node node(int index) {
if (index < (size >> 1)) {
// 如果索引位置小于 size/2，则从头节点开始找
Node x = first;
for (int i = 0; i < index; i++)
x = x.next;
return x;
} else {
// 如果索引位置大于 size/2，则从尾节点开始找
Node x = last;
for (int i = size - 1; i > index; i--)
x = x.prev;
return x;
}
}
LinkedList 的删除方法其实就是添加方法的逆运算，我们就不重复分析了。
// 删除头部元素
public E removeFirst() {
final Node f = first;
if (f == null)
throw new NoSuchElementException();
return unlinkFirst(f);
}
// 删除尾部元素
public E removeLast() {
final Node l = last;
if (l == null)
throw new NoSuchElementException();
return unlinkLast(l);
}
// 删除指定元素
public E remove(int index) {
checkElementIndex(index);
return unlink(node(index));
}
2.4 LinkedList 的迭代器
Java 的 foreach 是语法糖，本质上也是采用 iterator 的方式。由于 LinkedList 本身就是双向的，所以 LinkedList 只提供了 1 个迭代器：
- ListIterator
listIterator()： 双向迭代器
与其他容器类一样，LinkedList 的迭代器中都有 fail-fast 机制。如果在迭代的过程中发现 expectedModCount 变化，说明数据被修改，此时就会提前抛出 ConcurrentModificationException 异常（当然也不一定是被其他线程修改）。
public ListIterator listIterator(int index) {
checkPositionIndex(index);
return new ListItr(index);
}
// 非静态内部类
private class ListItr implements ListIterator {
private Node lastReturned;
private Node next;
private int nextIndex;
// 创建迭代器时会记录外部类的 modCount
private int expectedModCount = modCount;
ListItr(int index) {
next = (index == size) ? null : node(index);
nextIndex = index;
}
public E next() {
// 更新 expectedModCount
checkForComodification();
...
}
...
}
2.5 LinkedList 的序列化过程
- ♀️ 疑问 2：为什么字段都声明
transient关键字？
LinkedList 重写了 JDK 序列化的逻辑，不序列化链表节点，而只是序列化链表节点中的有效数据，这样序列化产物的大小就有所降低。在反序列时，只需要按照对象顺序依次添加到链表的末尾，就能恢复链表的顺序。
// 序列化和反序列化只考虑有效数据
// 序列化过程
private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
throws java.io.IOException {
// Write out any hidden serialization magic
s.defaultWriteObject();
// 写入链表长度
s.writeInt(size);
// 写入节点上的有效数据
for (Node x = first; x != null; x = x.next)
s.writeObject(x.item);
}
// 反序列化过程
private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
// Read in any hidden serialization magic
s.defaultReadObject();
// 读取链表长度
int size = s.readInt();
// 读取有效元素并用 linkLast 添加到链表尾部
for (int i = 0; i < size; i++)
linkLast((E)s.readObject());
}
2.6 LinkedList 的 clone() 过程
LinkedList 中的 first 和 last 指针是引用类型，因此在 clone() 中需要实现深拷贝。否则，克隆后两个 LinkedList 对象会相互影响：
private LinkedList superClone() {
try {
return (LinkedList) super.clone();
} catch (CloneNotSupportedException e) {
throw new InternalError(e);
}
}
public Object clone() {
LinkedList clone = superClone();
// Put clone into "virgin" state
clone.first = clone.last = null;
clone.size = 0;
clone.modCount = 0;
// 将原链表中的数据依次添加到新立案表中
for (Node x = first; x != null; x = x.next)
clone.add(x.item);
return clone;
}
2.7 LinkedList 如何实现线程安全？
有 5 种方式：
- 方法 1 - 使用 Collections.synchronizedList 包装类： 原理也是在所有方法上增加 synchronized 关键字；
- 方法 2 - 使用 ConcurrentLinkedQueue 容器类： 基于 CAS 无锁实现的线程安全队列；
- 方法 3 - 使用 LinkedBlockingQueue 容器： 基于加锁的阻塞队列，适合于带阻塞操作的生产者消费者模型；
- 方法 4 - 使用 LinkedBlockingDeque 容器： 基于加锁的阻塞双端队列，适合于带阻塞操作的生产者消费者模型；
- 方法 5 - 使用 ConcurrentLinkedDeque 容器类： 基于 CAS 无锁实现的线程安全双端队列。
3. 总结
1、LinkedList 是基于链表的线性表，同时具备 List、Queue 和 Stack 的行为；
2、在查询指定位置的节点时，如果索引位置小于 size/2，则从头节点开始找，否则从尾节点开始找；
3、LinkedList 重写了序列化过程，只处理链表节点中有效的元素；
4、LinkedList 和 ArrayList 都不考虑线程同步，不保证线程安全。
在上一篇文章里，我们提到了 List 的数组实现 ArrayList，而 LinkedList 不仅是 List 的链表实现，同时还是 Queue 和 Stack 的链表实现。那么，在 Java 中的 Queue 和 Stack 的数组实现是什么呢，这个我们在下篇文章讨论，请关注。