Java集合框架—LinkedList—源码研读

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前言：

本文主要基于JDK9,对LinkedList源码进行简单分析，主要内容分为以下几个部分：

1.LinkedList中add(),get()方法的源码分析及LinkedList双向链表的底层实现

2.LinkedList和ArrayLIst对比

3.RandomAccess接口和Deque的对比分析

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1.LinkedList中add(),get()方法的源码分析及LinkedList双向链表的底层实现

首先，我们在Idea中new一个LinkedList:

List list = new LinkedList();

然后，直接list.来看看LinkedList提供了哪些方法？

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一个个看下来发现，几乎和ArrayList一毛一样_{对，就是几乎一样。同样的方法熟悉的味道}那既然都有ArrayList了，为啥还搞个几乎一样的LinkedList?

这个问题很好，因为它触及到了ArrayList和LinkedList的底层，他们虽然功能看上去一样，但底层实现则完全不同，ArrayList的底层是Object[]数组，这个我们都知道了，LinkedList底层是链表，这个链表是怎么实现的？具体和数组有哪些不同，我们现在还是通过get()和add()方法来看一下源码吧~看完就知道了！

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看源码前几句会发现，LinkedList继承自AbstractSequentialList类，实现了List、Deque、Cloneable、Serializable接口，细心的你可能会发现，和ArrayList有些区别，ArrayList实现了RandomAccess接口，但没有实现Deque接口，这个留到最后再讨论。

来看一下LinkedList的成员变量有size、Node first; Node last;这个Node节点是干什么用的？而且还有一个first，一个last？难道是链表的头节点尾节点？

答案是:yes

这个Node first，就是用于标志链表表头的头结点，Node last是对应的链表尾部的尾节点。size是成员变量，用于标志LinkedList中对象的个数。

现在，来看一下add()方法吧：

public boolean add(E e) {
        linkLast(e);
        return true;
}

很简单add()方法调用了linkLast()方法，然后返回boolean类型的true。这个linkLast()方法很形象，一看方法名就知道此方法的作用是将元素e添加到链表尾部。点进去看看是不是？

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果然没猜错！让我们一行行地过一遍：

void linkLast(E e) {
        final Node l = last;   //last节点赋给l
        //新建一个新节点newNode，l、e、和null作为参数
        final Node newNode = new Node<>(l, e, null);
        //新节点赋给last
        last = newNode;
        if (l == null)//若l为空，即初始last为空，则表明LinkedList为空将newNode作为first节点
            first = newNode;
        else//否则将newNode连接到last节点的下一位
            l.next = newNode;
        size++;//LinkedList中对象数量+1
        modCount++;//modCount值+1
}

linkLast方法主要就是new了一个新的Node节点，并将要添加的值放入节点中，然后根据last节点是否为空来决定newNode作为first节点还是直接链接到last节点后。

让我们点进去Node的构造方法看一下，节点里有什么？

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;
        }
}

可以看到，这个Node节点类，是个内部类，主要包含3个成员变量：

1.item

2.Node next;

3.Node prev;

原来，这个Node节点就是LinkedList中最底层的链表的节点，item，即存放要存储的对象；next节点是用于指向下一个节点的指针，prev是指向上一个节点的指针。为什么要用两个指针呢？因为LinkedList是双向链表需要两个指针分别指向前后节点。

add方法好简单啊，看的不太过瘾啊~我们再看下get()方法的实现吧，看看通过索引index = i时get(i)是怎么实现的？

get()方法源码实现：

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可以看到get方法也很少，就3行代码：

public E get(int index) {
        checkElementIndex(index);
        return node(index).item;
}

通过索引get(index)访问元素时，首先会调用checkElementIndex方法检测索引范围是否异常，如果索引<0或者>=LinkedList中所包含的对象个数，则throw一个IndexOutOfBoundsException异常。如果没有异常，则继续执行return node(index).item;

这注意下，node(index)是个方法，而不是node节点，让我们看看这个有意思的方法：

    /**
     * Returns the (non-null) Node at the specified element index.
     */
    Node node(int index) {
        // assert isElementIndex(index);

        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;
        }
    }

此node方法主要用于查找链表中给定index的元素，如果index小于size/2，则从头部遍历链表，直到找到索引index对应的元素，然后return；如果index>=size/2，则从尾部开始遍历链表。是不是很有意思呢？哈哈

2.LinkedList和ArrayLIst对比

首先，让我们来复习下ArrayLIst的特点：

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首先，让我们回顾一下ArrayList的结构图，可见ArrayList继承自抽象类AbstractList，实现了Cloneable,Serializable,RandomAccess,以及List接口，这个我们已经很熟了。现在，让我们看一下集合类库中另一种和ArrayList很相似却又很不一样的类——LinkedList

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LinkedList继承自AbstractSequentialList,实现了Cloneable,Serializable,Deque以及List接口。

那么和ArrayList相比，出了直接继承自AbstractSequentialList，实现的接口也略有差异，我们可以看到ArrayList实现了RandomAccess接口而LinkedList实现了Deque接口，那么问题来了，这两个接口的差异会不会和LinkedList以及ArrayList的底层有关？

答案是YES

我们知道，ArrayList的底层是Object数组（Object[]），数组在内存空间中是一块联系的内存，访问时除了遍历外，还可以根据数组下标index实现高效随机访问，时间复杂度为O(1)，所以ArrayList必然是要实现RandomAccess接口的。

作为对比，LinkedList虽然和ArrayList的方法类似，也能通过get(index)来访问对象，但是LinkedList的get()是通过遍历底层以node节点链接的链表而实现的，只是表面看上去和Object[]中的get()类似罢了，实际上效率差远了，时间复杂度为O(n)

3.RandomAccess接口和Deque的对比分析

RandomAccess

中文字面意思，表示随机存取，让我们进入此接口看看里面有什么方法？

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除了一大串注释外，并没有具体的方法。好吧，那让我们看看注释吧：

/**
** Marker interface used by {@code List} implementations to indicate that
** they support fast (generally constant time) random access. The primary
** purpose of this interface is to allow generic algorithms to alter their
** behavior to provide good performance when applied to either random or
** sequential access lists.*

简单翻译下，意思是：

标记接口，被实现类实现后表示此类支持随机存取。这个接口的首要目的是：

允许通用算法在应用于随机存取或顺序存取列表时改变其行为以提供良好的性能

意思是，此接口不提供方法，仅仅起标记作用，实现了此接口的类即表示此类支持随机存取，方便后面对此类进行进一步的操作和选择更优化的方法。上一篇我们看到了ArrayList的底层其实是数组，是个Object[]，数组在堆内存中的排列是线性顺序排列，一个装了n个元素的ArrayList其通过0~n-1之间的任意下标i来查找到对应元素的时间复杂度开销为O(1)，所以说ArrayList是支持随机访问的，那么毫无疑问其应该实现RandomAccess这个接口。

作为对比，如果一个类底层为链表，那么我要访问任意一个下标为i的元素需要从第一个元素开始找一直遍历前0~i-1个元素后才能找到第i个元素，于是时复杂度为O(n)，这样如果这个类中元素数量很多，那么寻找过程就显得很慢，那么这个访问就不能叫做随机访问，而是线性访问。实现了Deque接口的LinkedList就是这样一种链表作为底层的数据结构，而且是双向链表，所以LinkedList没有实现RandomAccess接口，而是实现了Deque接口。

那么问题来了：

Deque是干嘛的？

Deque接口，是表示包含双端队列方法的接口。Deque，全名double-ended queue）是一种具有队列和栈的性质的数据结构。双端队列中的元素可以从两端弹出，其限定插入和删除操作在表的两端进行。学过数据结构的童鞋们应该都知道，双端队列是个全能的数据结构，头尾两段都可以执行插入和删除操作，一定条件下，还可以当做栈或队列使用。但是Java中Deque用到的其实并不是很多，实现类有ArrayLisr、ArrayDeque、LinkedBlockingDeque。

让我们来看一下Deque接口中有哪些方法吧：

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可见继承自Queue的Deque是集大成者，方法是相当的多。看一下方法上作者贴心的注释发现，Deque中，除了Queue中的方法外还包含Stack栈的方法，Collection集合类的部分方法以及自己独特的方法。一句话概括下，Deque既可以当队列，还可以当做栈，还可以用于集合类。

看一下Deque中独特的方法：

void addFirst(E e);         //头部添加元素,失败报异常
void addLast(E e);          //...
boolean offerFirst(E e);    //头部添加元素,失败返回false
boolean offerLast(E e);     //...
removeFirst();              //删除头部元素,空则报异常
removeLast();               //...
pollFirst();                //删除头部元素,空则返回null
pollLast();                 //...
getFirst();                 //取头部元素,不删除,空则报异常
getLast();                  //...
peekFirst();                //取头部元素,不擅长,空则返回null
peekLast();

至此，我们队Deque就有个比较清晰的了解了，至此LinkedList就告一段落了。

下篇文章：Java集合框架—HashMap—源码深入分析1 介绍的是HashMap的底层原理和源码研读。喜欢的亲，请点个吧~