java基础—浅析LinkedList源码

LinkedList简介

LinkedList是基于双向链表（从源码中可以很容易看出）实现的，除了可以当作链表来操作外，它还可以当作栈，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。

LinkedList的存储单元为一个名为Node的内部类，包含prev指针，next指针，和item元素，实现为双向链表

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;
    }
}

如果对双向链表这个数据结构很熟悉的话，学习 LinkedList 就没什么难度了。下面是双向链表的结构：

双向链表的结构

双向链表每个结点除了数据域之外，还有一个前指针和后指针，分别指向前驱结点和后继结点（如果有前驱/后继的话）。另外，双向链表还有一个first指针，指向头节点，和last指针，指向尾节点。

LinkedList源码解析

关于AbstractSequentialList参考文章：http://blog.csdn.net/u011240877/article/details/52854681

package java.util;

import java.util.function.Consumer;

public class LinkedList<E>
    extends AbstractSequentialList<E>
    implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable
{
    // 链表的节点个数
    transient int size = 0;

    // 指向头节点的指针
    transient Node<E> first;
    // 指向尾节点的指针
    transient Node<E> last;

    public LinkedList() {
    }

    // 该构造函数，先创建一个空的LinkedList，然后把所有元素加进去
    public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
        this();
        addAll(c);
    }

    // 把一个元素添加都第一个位置
    // 注意：以下link、unlink开头的函数都为私有函数
    private void linkFirst(E e) {
        final Node<E> f = first;
        //当前节点的前驱指向null，后继指针原来的头节点
        final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
        //头指针指向新的头节点
        first = newNode;
         //如果原来没有头节点，则更新尾指针，否则更新原来节点的前驱指针
        if (f == null)
            last = newNode;
        else
            f.prev = newNode;
        size++;
        modCount++;
    }

    // 把一个元素添加到最后一个位置
    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++;
    }

    // 在某个元素前添加元素
    void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
        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++;
    }

    // 删除第一个元素，注意传入的需为第一个元素，不然链表会出现违背本意情况
    private E unlinkFirst(Node<E> f) {
        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;
    }

    // 删除某个元素
    private E unlinkLast(Node<E> l) {
        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;
    }

    // 删除某个元素
    E unlink(Node<E> x) {
        final E element = x.item;
        final Node<E> next = x.next;
        final Node<E> prev = x.prev;

        if (prev == null) {
            first = next;
        } else {
            prev.next = next;
            x.prev = null;
        }

        if (next == null) {
            last = prev;
        } else {
            next.prev = prev;
            x.next = null;
        }

        x.item = null;
        size--;
        modCount++;
        return element;
    }

    // 获取第一个元素
    public E getFirst() {
        final Node<E> f = first;
        if (f == null)
            throw new NoSuchElementException();
        return f.item;
    }

    // 获取最后一个元素
    public E getLast() {
        final Node<E> l = last;
        if (l == null)
            throw new NoSuchElementException();
        return l.item;
    }

    // 删除表头元素
    public E removeFirst() {
        final Node<E> f = first;
        if (f == null)
            throw new NoSuchElementException();
        return unlinkFirst(f);
    }

    // 删除表尾元素
    public E removeLast() {
        final Node<E> l = last;
        if (l == null)
            throw new NoSuchElementException();
        return unlinkLast(l);
    }

    // 插入新的表头节点
    public void addFirst(E e) {
        linkFirst(e);
    }

    // 插入新的表尾节点
    public void addLast(E e) {
        linkLast(e);
    }

    // 链表里是否存在该元素 
    public boolean contains(Object o) {
        return indexOf(o) != -1;
    }

    // 链表的大小
    public int size() {
        return size;
    }

    // 添加元素到表尾
    public boolean add(E e) {
        linkLast(e);
        return true;
    }

    // 只删除第一个出现的元素
    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(c)”添加到LinkedList中。    
    // 实际上，是从双向链表的末尾开始，将“集合(c)”添加到双向链表中。 
    public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
        return addAll(size, c);
    }

    // 从双向链表的index开始，将“集合(c)”添加到双向链表中。    
    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)
                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;  
    } 


    // 清空双向链表    
    public void clear() {    
        // 从表头开始，逐个向后遍历；对遍历到的节点执行一下操作：    
        // (01) 设置前一个节点为null     
        // (02) 设置当前节点的内容为null     
        // (03) 设置后一个节点为“新的当前节点”    
       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++;  
    }  

    // 以下为位置相关操作
    public E get(int index) {
        checkElementIndex(index);
        return node(index).item;
    }

    public E set(int index, E element) {
        checkElementIndex(index);
        Node<E> x = node(index);
        E oldVal = x.item;
        x.item = element;
        return oldVal;
    }

    public void add(int index, E element) {
        checkPositionIndex(index);

        if (index == size)
            linkLast(element);
        else
            linkBefore(element, node(index));
    }

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

    // 判断现有的链表范围，即 <= 0 < n
    private boolean isElementIndex(int index) {
        return index >= 0 && index < size;
    }

    // 判断是否为正确位置，如对于迭代器，或者添加操作，即 <= 0 <＝ n
    private boolean isPositionIndex(int index) {
        return index >= 0 && index <= size;
    }

    private String outOfBoundsMsg(int index) {
        return "Index: "+index+", Size: "+size;
    }

    private void checkElementIndex(int index) {
        if (!isElementIndex(index))
            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
    }

    private void checkPositionIndex(int index) {
        if (!isPositionIndex(index))
            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
    }

    // 该方法会判断元素离头部比较近，还是尾巴比较近，然后开始遍历
    Node<E> node(int 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;
        }
    }

    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;
    }

    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;
    }

    // 以下为队列操作

    // 获取表头节点的值，表头为空返回null
    public E peek() {
        final Node<E> f = first;
        return (f == null) ? null : f.item;
    }

    // 获取表头节点的值，表头为空抛出异常
    public E element() {
        return getFirst();
    }

    // 获取表头节点的值，并删除表头节点，表头为空返回null
    public E poll() {
        final Node<E> f = first;
        return (f == null) ? null : unlinkFirst(f);
    }

    public E remove() {
        return removeFirst();
    }

    public boolean offer(E e) {
        return add(e);
    }

    // 以下为双向队列操作
    public boolean offerFirst(E e) {
        addFirst(e);
        return true;
    }

    public boolean offerLast(E e) {
        addLast(e);
        return true;
    }

    public E peekFirst() {
        final Node<E> f = first;
        return (f == null) ? null : f.item;
     }

    public E peekLast() {
        final Node<E> l = last;
        return (l == null) ? null : l.item;
    }

    public E pollFirst() {
        final Node<E> f = first;
        return (f == null) ? null : unlinkFirst(f);
    }

    public E pollLast() {
        final Node<E> l = last;
        return (l == null) ? null : unlinkLast(l);
    }

    // 添加元素到表头
    public void push(E e) {
        addFirst(e);
    }

    // 删除表头元素
    public E pop() {
        return removeFirst();
    }

    public boolean removeFirstOccurrence(Object o) {
        return remove(o);
    }

    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;
    }
    
        // 返回“index到末尾的全部节点”对应的ListIterator对象(List迭代器)    
    public ListIterator<E> listIterator(int index) {    
        return new ListItr(index);    
    }    
   
    // List迭代器    
    private class ListItr implements ListIterator<E> {    
        // 上一次返回的节点    
        private Node<E> lastReturned = null;    
        // 下一个节点    
        private Node<E> next;    
        // 下一个节点对应的索引值    
        private int nextIndex;    
        // 期望的改变计数。用来实现fail-fast机制。    
        private int expectedModCount = modCount;    
   
        // 构造函数。    
        // 从index位置开始进行迭代    
        ListItr(int index) {    
            next = (index == size) ? null : node(index);
            nextIndex = index;
        }    
   
        // 是否存在下一个元素    
        public boolean hasNext() {    
            // 通过元素索引是否小于“双向链表大小”来判断是否达到最后。    
            return nextIndex < size;    
        }    
   
        // 获取下一个元素    
        public E next() {    
            checkForComodification();    
            if (nextIndex == size)    
                throw new NoSuchElementException();    
   
            lastReturned = next;    
            // next指向链表的下一个元素    
            next = next.next;    
            nextIndex++;    
            return lastReturned.element;    
        }    
   
        // 是否存在上一个元素    
        public boolean hasPrevious() {    
            // 通过元素索引是否等于0，来判断是否达到开头。    
            return nextIndex > 0;    
        }    
   
        // 获取上一个元素    
        public E previous() {    
            if (nextIndex == 0)    
            throw new NoSuchElementException();    
   
            // next指向链表的上一个元素    
            lastReturned = next = next.previous;    
            nextIndex--;    
            checkForComodification();    
            return lastReturned.element;    
        }    
   
        // 获取下一个元素的索引    
        public int nextIndex() {    
            return nextIndex;    
        }    
   
        // 获取上一个元素的索引    
        public int previousIndex() {    
            return nextIndex-1;    
        }    
   
        // 删除当前元素。    
        // 删除双向链表中的当前节点    
        public void remove() {    
            checkForComodification();    
            Node<E> lastNext = lastReturned.next;    
            try {    
                LinkedList.this.remove(lastReturned);    
            } catch (NoSuchElementException e) {    
                throw new IllegalStateException();    
            }    
            if (next==lastReturned)    
                next = lastNext;    
            else   
                nextIndex--;    
            lastReturned = null;    
            expectedModCount++;    
        }    
   
        // 设置当前节点为e    
        public void set(E e) {    
            if (lastReturned == null)    
                throw new IllegalStateException();    
            checkForComodification();    
            lastReturned.element = e;    
        }    
   
        // 将e添加到当前节点的前面    
        public void add(E e) {    
            checkForComodification();
            lastReturned = null;
            if (next == null)
                linkLast(e);
            else
                linkBefore(e, next);
            nextIndex++;
            expectedModCount++;   
        }    
   
        // 判断 “modCount和expectedModCount是否相等”，依次来实现fail-fast机制。    
        final void checkForComodification() {    
            if (modCount != expectedModCount)    
            throw new ConcurrentModificationException();    
        }    
    } 
    
    
    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;
        }
    }
    
        // 反向迭代器    
    public Iterator<E> descendingIterator() {    
        return new DescendingIterator();    
    }    
   
    // 反向迭代器实现类。    
    private class DescendingIterator implements Iterator {    
        final ListItr itr = new ListItr(size());    
        // 反向迭代器是否下一个元素。    
        // 实际上是判断双向链表的当前节点是否达到开头    
        public boolean hasNext() {    
            return itr.hasPrevious();    
        }    
        // 反向迭代器获取下一个元素。    
        // 实际上是获取双向链表的前一个节点    
        public E next() {    
            return itr.previous();    
        }    
        // 删除当前节点    
        public void remove() {    
            itr.remove();    
        }    
    }  
    
    @SuppressWarnings("unchecked")
    private LinkedList<E> superClone() {
        try {
            return (LinkedList<E>) super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            throw new InternalError(e);
        }
    }

    // 浅拷贝
    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;

    // java.io.Serializable的写入函数    
    // 将LinkedList的“容量，所有的元素值”都写入到输出流中 
    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);
    }

    // java.io.Serializable的读取函数：根据写入方式反向读出    
    // 先将LinkedList的“容量”读出，然后将“所有的元素值”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());
    }
}

几点总结

1. LinkedList有两个构造参数，一个为无參构造，只是新建一个空对象，第二个为有参构造，新建一个空对象，然后把所有元素添加进去。

2. 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。

3. 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。

4. 注意源码中的Node node(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0往后遍历到位置index处，而如果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）。

5. 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）。

6. 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。

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参考文章：http://blog.csdn.net/u013124587/article/details/52837848