Java LinkedList工作原理及实现(二)

源代码解读

public class LinkedList<E> extends AbstractSequentialList<E> implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable

功能和特点

1. 继承了一个抽象类AbstractSequentialList，这个类就是用调用ListIterator实现了元素的增删查改，这些方法在LinkedList中被复写。
2. LinkedList实现了List、Deque、Cloneable以及Serializable接口。其中Deque是双端队列接口，所以LinkedList可以当作是栈、队列或者双端队队列。

LinkedList实现

主要原理

元素在内部被封装成Node对象，这是一个内部类，定义如下：

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; } }

Node表示的是双向链表的节点数据结构。
使用双向循环链表实现，初始化时，双向循环链表的first=last=null，
添加第一个元素：
即使得firt=last=newNode。
再次添加元素时：

pred = last; pred.next = newNode2; pred.next.prev = pred; pred = newNode2; last = pred;

变量

transient int size = 0; transient Node<E> first; transient Node<E> last;

size是元素个数，first是双向链表的第一个元素，last双向链表的最后一个元素。

构造函数

public LinkedList() { } public LinkedList(Collection<? extends E> c) { this(); addAll(c); }

一个默认的的构造函数；
一个支持添加集合中多有元素到LinkedList中。
addAll()方法如下，

public boolean addAll(Collection<? extends E> c) { return addAll(size, c); } public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) { checkPositionIndex(index); Object[] a = c.toArray(); int numNew = a.length; if (numNew == 0) return false; Node<E> pred, succ; if (index == size) { succ = null; pred = last; } else { succ = node(index); pred = succ.prev; } for (Object o : a) { @SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) o; Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, null); if (pred == null)//即为头节点， 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; }

当不指定元素添加的位置时，默认添加到last Node的后面（即index=size，size表示LInkedList的元素个数）；否则将集合中的所有元素插入到LinkedList中。
主要是通过`node(int index)找到指定位置的Node对象，具体实现如下：

Node<E> node(int index) { // assert isElementIndex(index); if (index < (size >> 1)) {//如果索引是链表的前半段，从头开始搜索，加速确定位置 Node<E> x = first; for (int i = 0; i < index; i++) x = x.next; return x; } else {//如果索引是链表的后半段，从末尾开始搜索，加速确定位置 Node<E> x = last; for (int i = size - 1; i > index; i--) x = x.prev; return x; } }

此处技巧，通过index与size向左移一位（即）比较，判断最快找到index位置元素是从头还是从尾部开始查找，时间复杂度有O(n/2)+O(1)$。

核心私有方法

LinkedList内部有几个关键的私有方法，它们实现了链表的插入、删除等操作。

表头插入 private void linkFirst(E e) { final Node<E> f = first; final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f); first = newNode; if (f == null)//LinkedList中无节点 last = newNode; else f.prev = newNode; size++; modCount++; } //尾部插入 void linkLast(E e) { final Node<E> l = last; final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null); last = newNode; if (l == null) //如果链表原来为空，让first指向这个唯一的节点 first = newNode; else l.next = newNode; size++; modCount++; } //中间插入 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)//succ是first节点 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; //先保存下一个节点 f.item = null; f.next = null; // help GC first = next; //让first指向下一个节点 if (next == null) //如果下一个节点为空，说明链表原来只有一个节点，现在成空链表了，要把last指向null last = null; else //否则下一个节点的前驱节点要置为null 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; //保存前一个节点 l.item = null; l.prev = null; // help GC last = prev; //last指向前一个节点 if (prev == null) //与头节点删除一样，判断是否为空 first = null; else prev.next = null; size--; modCount++; return element; } //从链表中间删除节点 E unlink(Node<E> x) { // assert x != null; final E element = x.item; final Node<E> next = x.next; //保存前驱节点 final Node<E> prev = x.prev; //保存后继节点 if (prev == null) { //前驱为空，说明删除的是头节点，first要指向下一个节点 first = next; } else { //否则前驱节点的后继节点变为当前删除节点的下一个节点 prev.next = next; x.prev = null; } if (next == null) { //判断后继是否为空，与前驱节点是否为空的逻辑类似 last = prev; } else { next.prev = prev; x.next = null; } x.item = null; size--; modCount++; return element; } 

LinkedList的队列方法实现和主要的增删查改都是基于上述几个方法。

核心public方法

公开的方法几乎都是调用上面几个私有方法实现的。
add

public boolean add(E e) { linkLast(e); return true; } public boolean add(E e) { linkLast(e); return true; } public void add(int index, E element) { checkPositionIndex(index); if (index == size) linkLast(element); else linkBefore(element, node(index)); }

这些方法的实现都很简单。注意最后一个方法add(int index, E element)，这个方法是在指定的位置插入元素。首先判断位置是否越界，然后判断是不是最后一个位置。如果是就直接插入链表末尾，否则调用linkBefore(element, node(index)方法。这里在传参数的时候又调用了node(index)，这个方法的目的是找到这个位置的节点对象。
用于查找指定位置元素的get(int index)方法也是调用node实现的：

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

remove

public E remove(int index) { checkElementIndex(index); return unlink(node(index)); } 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; }

第一个remove(int index)方法同样要调用node(index)寻找节点。而第二个方法remove(Object o)是删除指定元素，这个方法要依次遍历节点进行元素的比较，最坏情况下要比较到最后一个元素，比调用node方法更慢，时间复杂度为。

可以看出LinkedList的元素可以是null。

总结

1. LinkedList基于双向链表实现，元素可以为null。
2. 对添加和删除元素的时间复杂度认为是，而查找某个元素的时间复杂度较高。适合添加和删除较频繁的使用场景。

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