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LinkedList整體結(jié)構(gòu)介紹和LinkedList源碼分析

更新時間:2020年10月13日11時25分來源:傳智播客瀏覽次數(shù):

LinkedList 集合底層是一個雙向鏈表結(jié)構(gòu)，具有增刪快，查詢慢的忒點(diǎn),內(nèi)部包含大量操作首尾元素的方法。適用于集合元素先入先出和先入后出的場景，在隊(duì)列源碼中被頻繁使用。

一、LinkedList整體架構(gòu)

LinkedList 底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是一個雙向鏈表，整體結(jié)構(gòu)如下圖所示：
LinkedList結(jié)構(gòu)圖
上圖代表了一個雙向鏈表結(jié)構(gòu)，可以通過前面的節(jié)點(diǎn)找到后面的節(jié)點(diǎn),也可以通過后面的節(jié)點(diǎn)找到前面的節(jié)點(diǎn)

相關(guān)概念:

Node: 代表鏈中的每個節(jié)，Node 的 prev 屬性，代表前一個節(jié)點(diǎn)的地址，Node 的next 屬性，代表后一個節(jié)點(diǎn)的地址；
first :代表雙向鏈表的頭節(jié)點(diǎn)，它的前一個節(jié)點(diǎn)是 null。
last: 代表雙向鏈表的尾節(jié)點(diǎn)，它的后一個節(jié)點(diǎn)是 null；
如果鏈表中沒有任何數(shù)據(jù)時，頭節(jié)點(diǎn)first 和尾節(jié)點(diǎn)last 是同一個節(jié)點(diǎn)，前后指向都是 null；
因?yàn)長inkedList集合是個雙向鏈表，所以機(jī)器只要有足夠強(qiáng)大的內(nèi)存，對于LinkedList集合而言是沒有大小限制的。

鏈表中的元素被稱為Node， Node被定義成私有靜態(tài)內(nèi)部類,內(nèi)容如下：

private static class Node<E> {
    E item;// 節(jié)點(diǎn)中存儲的數(shù)據(jù)
    Node<E> next; // 下一個節(jié)點(diǎn)的地址
    Node<E> prev; // 前一個節(jié)點(diǎn)的地址
    // 構(gòu)造方法初始化參數(shù)順序分別是：前一個節(jié)點(diǎn)的地址值、當(dāng)前節(jié)點(diǎn)中存儲的數(shù)據(jù)、后一個節(jié)點(diǎn)的地址值
    Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
        this.item = element;
        this.next = next;
        this.prev = prev;
    }
}

二、LinkedList 源碼解析

2.1 添加（新增）節(jié)點(diǎn)

如果想在LinkedList集合中添加節(jié)點(diǎn)，我們把新加入的節(jié)點(diǎn)添加到鏈表頭部，也可以把新加入的節(jié)點(diǎn)添加添加到鏈表尾部，add 方法默認(rèn)是從尾部開始添加，addFirst 方法是從頭部開始添加，下面分別來看下兩種不同的添加方式：

從尾部添加（add）

// 從尾部開始添加節(jié)點(diǎn)
void linkLast(E e) {
    // 把尾節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)暫存
    final Node<E> l = last;
    // 新建新的節(jié)點(diǎn)，初始化入?yún)⒑x：
    // l 是新節(jié)點(diǎn)的前一個節(jié)點(diǎn)，當(dāng)前值是尾節(jié)點(diǎn)值
    // e 表示當(dāng)前新增節(jié)點(diǎn)，當(dāng)前新增節(jié)點(diǎn)后一個節(jié)點(diǎn)是 null
    final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
    // 新建節(jié)點(diǎn)添加到尾部
    last = newNode;
    //如果鏈表為空（l 是尾節(jié)點(diǎn)，尾節(jié)點(diǎn)為空，鏈表即空），頭部和尾部是同一個節(jié)點(diǎn)，都是新建的節(jié)點(diǎn)
    if (l == null)
        first = newNode;
        //否則把前尾節(jié)點(diǎn)的下一個節(jié)點(diǎn)，指向當(dāng)前尾節(jié)點(diǎn)。
    else
        l.next = newNode;    
    size++;//集合元素?cái)?shù)量增加1
    modCount++;//實(shí)際修改次數(shù)增加1
}

從源碼上來看，尾部添加節(jié)點(diǎn)比較簡單.

從頭部添加（addFirst）

// 從頭部添加
private void linkFirst(E e) {
    // 頭節(jié)點(diǎn)賦值給臨時變量
    final Node<E> f = first;
    // 新建節(jié)點(diǎn)，前一個節(jié)點(diǎn)指向null，e 是新建節(jié)點(diǎn)，f 是新建節(jié)點(diǎn)的下一個節(jié)點(diǎn)，目前值是頭節(jié)點(diǎn)的值
    final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
    // 新建節(jié)點(diǎn)成為頭節(jié)點(diǎn)
    first = newNode;
    // 頭節(jié)點(diǎn)為空，就是鏈表為空，頭尾節(jié)點(diǎn)是一個節(jié)點(diǎn)
    if (f == null)
        last = newNode;
    //上一個頭節(jié)點(diǎn)的前一個節(jié)點(diǎn)指向當(dāng)前節(jié)點(diǎn)
    else
        f.prev = newNode;
    size++;
    modCount++;
}

頭部添加節(jié)點(diǎn)和尾部添加節(jié)點(diǎn)非常類似，只是前者是移動頭節(jié)點(diǎn)的 prev 指向，后者是移動尾節(jié)點(diǎn)的 next 指向。

2.2 刪除節(jié)點(diǎn)

節(jié)點(diǎn)刪除的方式和添加類似，我們可以選擇從頭部刪除，也可以選擇從尾部刪除，刪除操作會把節(jié)點(diǎn)的值，前后指向節(jié)點(diǎn)都置為 null，幫助 GC 進(jìn)行回收。

從頭部刪除

//從頭刪除節(jié)點(diǎn) f 是鏈表頭節(jié)點(diǎn)
private E unlinkFirst(Node<E> f) {
    // 拿出頭節(jié)點(diǎn)的值，作為方法的返回值
    final E element = f.item;
    // 拿出頭節(jié)點(diǎn)的下一個節(jié)點(diǎn)
    final Node<E> next = f.next;
    //幫助 GC 回收頭節(jié)點(diǎn)
    f.item = null;
    f.next = null;
    // 頭節(jié)點(diǎn)的下一個節(jié)點(diǎn)成為頭節(jié)點(diǎn)
    first = next;
    //如果 next 為空，表明鏈表為空
    if (next == null)
        last = null;
    //鏈表不為空，頭節(jié)點(diǎn)的前一個節(jié)點(diǎn)指向 null
    else
        next.prev = null;
    //修改鏈表大小和版本
    size--;
    modCount++;
    return element;
}

從尾部刪除節(jié)點(diǎn)的代碼也是類似的，這里就不再詳細(xì)解釋了。

從源碼中我們可以了解到，鏈表結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)新增、刪除都非常簡單，僅僅把前后節(jié)點(diǎn)的指向修改下就好了，所以 LinkedList 新增和刪除速度很快。

2.3 查詢節(jié)點(diǎn)

在鏈表查詢某一個節(jié)點(diǎn)是比較慢的，因?yàn)樾枰€循環(huán)查找才行，我們看看 LinkedList 的源碼是如何尋找節(jié)點(diǎn)的：

// 根據(jù)鏈表索引位置查詢節(jié)點(diǎn)
Node<E> node(int index) {
    // 如果 index 處于隊(duì)列的前半部分，從頭開始找，size >> 1 是 size 除以 2 的意思。
    if (index < (size >> 1)) {
        Node<E> x = first;
        // 直到 for 循環(huán)到 index 的前一個 node 停止
        for (int i = 0; i < index; i++)
            x = x.next;
        return x;
    } else {// 如果 index 處于隊(duì)列的后半部分，從尾開始找
        Node<E> x = last;
        // 直到 for 循環(huán)到 index 的后一個 node 停止
        for (int i = size - 1; i > index; i--)
            x = x.prev;
        return x;
    }
}

從源碼中我們可以發(fā)現(xiàn)，LinkedList 并沒有采用從頭循環(huán)到尾的做法，而是采取了簡單二分法，首先看看 index 是在鏈表的前半部分，還是后半部分。如果是前半部分，就從頭開始尋找，反之亦然。通過這種方式，使循環(huán)的次數(shù)至少降低了一半，提高了查找的性能，這種思想值得我們借鑒。

2.4 迭代器

因?yàn)?LinkedList 要實(shí)現(xiàn)雙向的迭代訪問，所以我們使用 Iterator 接口肯定不行了，因?yàn)?Iterator 只支持從頭到尾的訪問。Java 新增了一個迭代接口，叫做：ListIterator，這個接口提供了向前和向后的迭代方法，如下所示：

迭代順序	方法
從尾到頭迭代方法	hasPrevious、previous、previousIndex
從頭到尾迭代方法	hasNext、next、nextIndex

LinkedList 實(shí)現(xiàn)了 ListIterator 接口，如下圖所示：

// 雙向迭代器
private class ListItr implements ListIterator<E> {
    private Node<E> lastReturned;//上一次執(zhí)行 next() 或者 previos() 方法時的節(jié)點(diǎn)位置
    private Node<E> next;//下一個節(jié)點(diǎn)
    private int nextIndex;//下一個節(jié)點(diǎn)的位置
    //expectedModCount：期望版本號；modCount：目前最新版本號
    private int expectedModCount = modCount;
    …………
}

我們先來看下從頭到尾方向的迭代：

// 判斷還有沒有下一個元素
public boolean hasNext() {
    return nextIndex < size;// 下一個節(jié)點(diǎn)的索引小于鏈表的大小，就有
}
// 取下一個元素
public E next() {
    //檢查期望版本號有無發(fā)生變化
    checkForComodification();
    if (!hasNext())//再次檢查
        throw new NoSuchElementException();
    // next 是當(dāng)前節(jié)點(diǎn)，在上一次執(zhí)行 next() 方法時被賦值的。
    // 第一次執(zhí)行時，是在初始化迭代器的時候，next 被賦值的
    lastReturned = next;
    // next 是下一個節(jié)點(diǎn)了，為下次迭代做準(zhǔn)備
    next = next.next;
    nextIndex++;
    return lastReturned.item;
}

上述源碼的思路就是直接取當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的下一個節(jié)點(diǎn)，而從尾到頭迭代稍微復(fù)雜一點(diǎn)，如下：

// 如果上次節(jié)點(diǎn)索引位置大于 0，就還有節(jié)點(diǎn)可以迭代
public boolean hasPrevious() {
    return nextIndex > 0;
}
// 取前一個節(jié)點(diǎn)
public E previous() {
    checkForComodification();
    if (!hasPrevious())
        throw new NoSuchElementException();
    // next 為空場景：1:說明是第一次迭代，取尾節(jié)點(diǎn)(last);2:上一次操作把尾節(jié)點(diǎn)刪除掉了
    // next 不為空場景：說明已經(jīng)發(fā)生過迭代了，直接取前一個節(jié)點(diǎn)即可(next.prev)
    lastReturned = next = (next == null) ? last : next.prev;
    // 索引位置變化
    nextIndex--;
    return lastReturned.item;
}

這里復(fù)雜點(diǎn)體現(xiàn)在需要判斷 next 不為空和為空的場景，代碼注釋中有詳細(xì)的描述。

迭代器刪除

LinkedList 在刪除元素時，也推薦通過迭代器進(jìn)行刪除，刪除過程如下：

public void remove() {
    checkForComodification();
    // lastReturned 是本次迭代需要刪除的值，分以下空和非空兩種情況：
    // lastReturned 為空，說明調(diào)用者沒有主動執(zhí)行過 next() 或者 previos()，直接報錯
    // lastReturned 不為空，是在上次執(zhí)行 next() 或者 previos()方法時賦的值
    if (lastReturned == null)
        throw new IllegalStateException();
    Node<E> lastNext = lastReturned.next;
    //刪除當(dāng)前節(jié)點(diǎn)
    unlink(lastReturned);
    // next == lastReturned 的場景分析：從尾到頭遞歸順序，并且是第一次迭代，并且要刪除最后一個元素的情況下
    // 這種情況下，previous() 方法里面設(shè)置了 lastReturned = next = last,所以 next 和 lastReturned會相等
    if (next == lastReturned)
        // 這時候 lastReturned 是尾節(jié)點(diǎn)，lastNext 是 null，所以 next 也是 null，這樣在 previous() 執(zhí)行時，發(fā)現(xiàn) next 是 null，就會把尾節(jié)點(diǎn)賦值給 next
        next = lastNext;
    else
        nextIndex--;
    lastReturned = null;
    expectedModCount++;
}