Java集合系列之LinkedList源码分析

上篇我们分析了arraylist的底层实现，知道了arraylist底层是基于数组实现的，因此具有查找修改快而插入删除慢的特点。本篇介绍的linkedlist是list接口的另一种实现，它的底层是基于双向链表实现的，因此它具有插入删除快而查找修改慢的特点，此外，通过对双向链表的操作还可以实现队列和栈的功能。linkedlist的底层结构如下图所示。

f表示头结点引用，l表示尾结点引用，链表的每个结点都有三个元素，分别是前继结点引用(p)，结点元素的值(e)，后继结点的引用(n)。结点由内部类node表示，我们看看它的内部结构。

//结点内部类
private static class node<e> {
  e item;     //元素
  node<e> next;  //下一个节点
  node<e> prev;  //上一个节点

  node(node<e> prev, e element, node<e> next) {
    this.item = element;
    this.next = next;
    this.prev = prev;
  }
}

node这个内部类其实很简单，只有三个成员变量和一个构造器，item表示结点的值，next为下一个结点的引用，prev为上一个结点的引用，通过构造器传入这三个值。接下来再看看linkedlist的成员变量和构造器。

//集合元素个数
transient int size = 0;

//头结点引用
transient node<e> first;

//尾节点引用
transient node<e> last;

//无参构造器
public linkedlist() {}

//传入外部集合的构造器
public linkedlist(collection<? extends e> c) {
  this();
  addall(c);
}

linkedlist持有头结点的引用和尾结点的引用，它有两个构造器，一个是无参构造器，一个是传入外部集合的构造器。与arraylist不同的是linkedlist没有指定初始大小的构造器。看看它的增删改查方法。

//增(添加)
public boolean add(e e) {
  //在链表尾部添加
  linklast(e);
  return true;
}

//增(插入)
public void add(int index, e element) {
  checkpositionindex(index);
  if (index == size) {
    //在链表尾部添加
    linklast(element);
  } else {
    //在链表中部插入
    linkbefore(element, node(index));
  }
}

//删(给定下标)
public e remove(int index) {
  //检查下标是否合法
  checkelementindex(index);
  return unlink(node(index));
}

//删(给定元素)
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 {
    //遍历链表
    for (node<e> x = first; x != null; x = x.next) {
      if (o.equals(x.item)) {
        //找到了就删除
        unlink(x);
        return true;
      }
    }
  }
  return false;
}

//改
public e set(int index, e element) {
  //检查下标是否合法
  checkelementindex(index);
  //获取指定下标的结点引用
  node<e> x = node(index);
  //获取指定下标结点的值
  e oldval = x.item;
  //将结点元素设置为新的值
  x.item = element;
  //返回之前的值
  return oldval;
}

//查
public e get(int index) {
  //检查下标是否合法
  checkelementindex(index);
  //返回指定下标的结点的值
  return node(index).item;
}

linkedlist的添加元素的方法主要是调用linklast和linkbefore两个方法，linklast方法是在链表后面链接一个元素，linkbefore方法是在链表中间插入一个元素。linkedlist的删除方法通过调用unlink方法将某个元素从链表中移除。下面我们看看链表的插入和删除操作的核心代码。

//链接到指定结点之前
void linkbefore(e e, node<e> succ) {
  //获取给定结点的上一个结点引用
  final node<e> pred = succ.prev;
  //创建新结点, 新结点的上一个结点引用指向给定结点的上一个结点
  //新结点的下一个结点的引用指向给定的结点
  final node<e> newnode = new node<>(pred, e, succ);
  //将给定结点的上一个结点引用指向新结点
  succ.prev = newnode;
  //如果给定结点的上一个结点为空, 表明给定结点为头结点
  if (pred == null) {
    //将头结点引用指向新结点
    first = newnode;
  } else {
    //否则, 将给定结点的上一个结点的下一个结点引用指向新结点
    pred.next = newnode;
  }
  //集合元素个数加一
  size++;
  //修改次数加一
  modcount++;
}

//卸载指定结点
e unlink(node<e> x) {
  //获取给定结点的元素
  final e element = x.item;
  //获取给定结点的下一个结点的引用
  final node<e> next = x.next;
  //获取给定结点的上一个结点的引用
  final node<e> prev = x.prev;

  //如果给定结点的上一个结点为空, 说明给定结点为头结点
  if (prev == null) {
    //将头结点引用指向给定结点的下一个结点
    first = next;
  } else {
    //将上一个结点的后继结点引用指向给定结点的后继结点
    prev.next = next;
    //将给定结点的上一个结点置空
    x.prev = null;
  }

  //如果给定结点的下一个结点为空, 说明给定结点为尾结点
  if (next == null) {
    //将尾结点引用指向给定结点的上一个结点
    last = prev;
  } else {
    //将下一个结点的前继结点引用指向给定结点的前继结点
    next.prev = prev;
    x.next = null;
  }

  //将给定结点的元素置空
  x.item = null;
  //集合元素个数减一
  size--;
  //修改次数加一
  modcount++;
  return element;
}

linkbefore和unlink是具有代表性的链接结点和卸载结点的操作，其他的链接和卸载两端结点的方法与此类似，所以我们重点介绍linkbefore和unlink方法。

linkbefore方法的过程图：

unlink方法的过程图：

通过上面图示看到对链表的插入和删除操作的时间复杂度都是o(1)，而对链表的查找和修改操作都需要遍历链表进行元素的定位，这两个操作都是调用的node(int index)方法定位元素，看看它是怎样通过下标来定位元素的。

//根据指定位置获取结点
node<e> node(int index) {
  //如果下标在链表前半部分, 就从头开始查起
  if (index < (size >> 1)) {
    node<e> x = first;
    for (int i = 0; i < index; i++) {
      x = x.next;
    }
    return x;
  } else {
    //如果下标在链表后半部分, 就从尾开始查起
    node<e> x = last;
    for (int i = size - 1; i > index; i--) {
      x = x.prev;
    }
    return x;
  }
}

通过下标定位时先判断是在链表的上半部分还是下半部分，如果是在上半部分就从头开始找起，如果是下半部分就从尾开始找起，因此通过下标的查找和修改操作的时间复杂度是o(n/2)。通过对双向链表的操作还可以实现单项队列，双向队列和栈的功能。

单向队列操作：

//获取头结点
public e peek() {
  final node<e> f = first;
  return (f == null) ? null : f.item;
}

//获取头结点
public e element() {
  return getfirst();
}

//弹出头结点
public e poll() {
  final node<e> f = first;
  return (f == null) ? null : unlinkfirst(f);
}

//移除头结点
public e remove() {
  return removefirst();
}

//在队列尾部添加结点
public boolean offer(e e) {
  return add(e);
}

双向队列操作：

//在头部添加
public boolean offerfirst(e e) {
  addfirst(e);
  return true;
}

//在尾部添加
public boolean offerlast(e e) {
  addlast(e);
  return true;
}

//获取头结点
public e peekfirst() {
  final node<e> f = first;
  return (f == null) ? null : f.item;
 }

//获取尾结点
public e peeklast() {
  final node<e> l = last;
  return (l == null) ? null : l.item;
}

栈操作：

//入栈
public void push(e e) {
  addfirst(e);
}

//出栈
public e pop() {
  return removefirst();
}

不管是单向队列还是双向队列还是栈，其实都是对链表的头结点和尾结点进行操作，它们的实现都是基于addfirst()，addlast()，removefirst()，removelast()这四个方法，它们的操作和linkbefore()和unlink()类似，只不过一个是对链表两端操作，一个是对链表中间操作。可以说这四个方法都是linkbefore()和unlink()方法的特殊情况，因此不难理解它们的内部实现，在此不多做介绍。到这里，我们对linkedlist的分析也即将结束，对全文中的重点做个总结：
1. linkedlist是基于双向链表实现的，不论是增删改查方法还是队列和栈的实现，都可通过操作结点实现
2. linkedlist无需提前指定容量，因为基于链表操作，集合的容量随着元素的加入自动增加
3. linkedlist删除元素后集合占用的内存自动缩小，无需像arraylist一样调用trimtosize()方法
4. linkedlist的所有方法没有进行同步，因此它也不是线程安全的，应该避免在多线程环境下使用
5. 以上分析基于jdk1.7，其他版本会有些出入，因此不能一概而论。

以上就是本文的全部内容，希望对大家的学习有所帮助，也希望大家多多支持。