源码详解数据结构Linked List
摘要：java.util.LinkedList 是 Java 集合框架中的成员之一，底层是基于双向链表实现，集合容量可动态变化的。
本文分享自华为云社区《LinkedList 源码分析》，作者： 陈皮的JavaLib。
LinkedList 简介
java.util.Linked List 是 Java 集合框架中的成员之一，底层是基于双向链表实现，集合容量可动态变化的。它继承自 Abstract Sequential List 抽象类，实现了 List 接口。同时还实现了 Cloneable 和 Serializable 三个标记接口，说明 Array List 是可克隆复制的，可序列化的。
Array List 数组列表底层是基于动态数组实现的，所以优点是能支持快速随机访问，但是增删操作可能会比较慢（因为可能需要进行数组扩容，数据拷贝）。而且数组需要先申请一定的内存空间，可能会造成浪费。而链表列表 LinkedList 的优点是增删操作速度比较快，而且列表存储多少元素就动态申请多少节点来存储，比较节省内存空间。
为何要使用双向链表呢，主要在于遍历效率比单向链表高。例如当我们需要查找指定下标的节点，在指定下标进行增删改操作时，先判断这个位置是靠近头部还是尾部，从而决定从头部还是从尾部开始查找，提高效率。
public class LinkedList<E>
extends AbstractSequentialList<E>
implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable {
}
2 LinkedList 源码分析
2.1 内部变量
LinkedList 的元素是存储在节点对象中的，节点类是 LinkedList 类的一个内部私有静态类，源码如下所示：
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;
}
}LinkedList 中定义了3个变量，一个代表当前列表的元素个数，另外两个变量指向链表的头部和尾部。以及它的父类 AbstractList 中的 modCount 变量，每次对链表的增删改操作都会使它加1。
transient int size = 0;
transient Node<E> first;
transient Node<E> last;
protected transient int modCount = 0;2.2 构造函数
ArrayList 有2个构造函数，一个无参构造函数，另一个使用指定 Collection 集合来构造集合的构造函数。
无参构造函数，什么都没有操作。
public LinkedList() {}使用指定 Collection 集合来构造链表，如果 Collection 不能为 null ，否则会抛出 npe 。
public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
this();
addAll(c);
}
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)
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;
}2.3 常用方法
- public E getFirst()
获取链表的第一个元素，如果不存在第一个节点，抛出异常。
public E getFirst() {
final Node<E> f = first;
if (f == null)
throw new NoSuchElementException();
return f.item;
}- public E getLast()
获取链表的最后一个元素，如果链表为空，则抛出异常。
public E getLast() {
final Node<E> l = last;
if (l == null)
throw new NoSuchElementException();
return l.item;
}- public E removeFirst()
删除第一个元素，如果链表为空，则抛出异常。
public E removeFirst() {
final Node<E> f = first;
if (f == null)
throw new NoSuchElementException();
return unlinkFirst(f);
}- public E removeLast()
删除最后一个元素，如果链表为空，则抛出异常。
public E removeLast() {
final Node<E> l = last;
if (l == null)
throw new NoSuchElementException();
return unlinkLast(l);
}- public void clear()
情况链表，遍历每一个节点，将每一个节点的内部引用都置为 null ，便于进行垃圾回收。
public void clear() {
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++;
}- public boolean add(E e)
在链表尾部添加一个元素。
public boolean add(E e) {
linkLast(e);
return true;
}- public Iterator iterator()
获取 list 的迭代器，用于遍历集合中的元素。
public Iterator<E> iterator() {
return new Itr();
}- public int size()：返回集合元素个数。
- public boolean contains(Object o)：是否包含某个元素。
- public boolean remove(Object o)：删除某个元素。
- public E get(int index)：获取指定下标的元素。
- public E set(int index, E element)：在指定下标修改元素值。
- public void add(int index, E element)：在指定下标添加元素。
3 常见面试题分析
3.1 LinkedList 是线程安全的吗？
我们通过分析源码可知，对它的任何操作都是没有加锁的，所以在多线程场景下，它是线程不安全的。它适合在非多线程使用场景下，并且增删操作比较多的情况。
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
LinkedList<String> list = new LinkedList<>();
Thread thread1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
list.add(Thread.currentThread().getName() + i);
}
}, "Thread01");
thread1.start();
Thread thread2 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
list.add(Thread.currentThread().getName() + i);
}
}, "Thread02");
thread2.start();
thread1.join();
thread2.join();
System.out.println(list.size()); // 输出不一定是2000，例如1850
}如果增删操作比较多的话，可以使用 LinkedList ，LinkedList 增删操作速度比较快。
如果需要线程安全的话，可以使用 JDK 集合中的工具类 Collections 提供一个方法 synchronizedList 可以将线程不安全的 List 集合变成线程安全的集合对象，如下所示。
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
LinkedList<String> list = new LinkedList<>();
// 封装成线程安全的集合
List<String> synchronizedList = Collections.synchronizedList(list);
Thread thread1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
synchronizedList.add(Thread.currentThread().getName() + i);
}
}, "Thread01");
thread1.start();
Thread thread2 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
synchronizedList.add(Thread.currentThread().getName() + i);
}
}, "Thread02");
thread2.start();
thread1.join();
thread2.join();
System.out.println(synchronizedList.size());
}3.2 LinkedList 优缺点
- 优点：增删操作速度快，不仅有头部和尾部双指针，可以根据要操作的下标靠近哪边，从而决定从哪一边开始遍历找到指定的下标。找到位置后，删除和插入操作的时间复杂度为 O(1) 。
- 缺点：不支持快速随机访问，相对 ArrayList 比较慢，但也不是决定的，取决于列表的长度，以及访问的下标位置。
3.3 使用迭代器 Iterator 过程中，可以增删元素吗？
通过源码分析，在获取集合的迭代器方法中，返回的是 AbstractList 抽象类中定义的 ListItr 迭代器对象，在他的父类 Itr 中持有变量 expectedModCount ，在初始化迭代器对象时这个变量的值被赋予此时链表中的操作次数 modCount 。在迭代获取元素时，会检查这两变量是否相等，不相等则抛出并发修改异常。所以不支持在使用迭代器的过程中，对原链表进行增删改操作。但是可以调用迭代器的增删操作。
private class ListItr extends Itr implements ListIterator<E> {
ListItr(int index) {
cursor = index;
}
public boolean hasPrevious() {
return cursor != 0;
}
public E previous() {
checkForComodification();
try {
int i = cursor - 1;
E previous = get(i);
lastRet = cursor = i;
return previous;
} catch (IndexOutOfBoundsException e) {
checkForComodification();
throw new NoSuchElementException();
}
}
public int nextIndex() {
return cursor;
}
public int previousIndex() {
return cursor-1;
}
public void set(E e) {
if (lastRet < 0)
throw new IllegalStateException();
checkForComodification();
try {
AbstractList.this.set(lastRet, e);
expectedModCount = modCount;
} catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
public void add(E e) {
checkForComodification();
try {
int i = cursor;
AbstractList.this.add(i, e);
lastRet = -1;
cursor = i + 1;
expectedModCount = modCount;
} catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
}
private class Itr implements Iterator<E> {
/**
* Index of element to be returned by subsequent call to next.
*/
int cursor = 0;
/**
* Index of element returned by most recent call to next or
* previous. Reset to -1 if this element is deleted by a call
* to remove.
*/
int lastRet = -1;
/**
* The modCount value that the iterator believes that the backing
* List should have. If this expectation is violated, the iterator
* has detected concurrent modification.
*/
int expectedModCount = modCount;
public boolean hasNext() {
return cursor != size();
}
public E next() {
checkForComodification();
try {
int i = cursor;
E next = get(i);
lastRet = i;
cursor = i + 1;
return next;
} catch (IndexOutOfBoundsException e) {
checkForComodification();
throw new NoSuchElementException();
}
}
public void remove() {
if (lastRet < 0)
throw new IllegalStateException();
checkForComodification();
try {
AbstractList.this.remove(lastRet);
if (lastRet < cursor)
cursor--;
lastRet = -1;
expectedModCount = modCount;
} catch (IndexOutOfBoundsException e) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
final void checkForComodification() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
}3.4 LinkedList 可以存储 null 值吗？元素可以重复吗？
LinkedList 底层是由双向链表实现的，并且在添加元素的时候，没有对元素进行值校验，所以可以存储 null 值，并且存储的元素是可以重复的。
public boolean add(E e) {
linkLast(e);
return true;
}
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++;
}3.5 如何边遍历 ArrayList 元素，边删除指定元素？
不支持在遍历的同时对原链表进行操作，会抛出 ConcurrentModificationException 并发修改异常，前面我们提到使用迭代器 Iterator 遍历集合时，不能对集合进行增删操作（会导致 modCount 值变化）。应该使用 Iterator 类的 remove 方法。
package com.chenpi;
import java.util.Iterator;
import java.util.LinkedList;
/**
* @author 陈皮
* @version 1.0
* @description
* @date 2022/3/1
*/
public class ChenPi {
public static void main(String[] args) {
LinkedList<String> list = new LinkedList<>();
list.add("Java");
list.add("C++");
list.add("Python");
list.add("Lua");
Iterator<String> iterator = list.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
String next = iterator.next();
if ("C++".equals(next)) {
iterator.remove();
continue;
}
System.out.println(next);
}
}
}
// 输出结果如下
Java
Python
Lua
