Java LinkedList源码分析

简介

LinkedList 是一个常用的集合类，用于顺序存储元素。 LinkedList 经常和 ArrayList 一起被提及。大部分人应该都知道 ArrayList 内部采用数组保存元素，适合用于随机访问比较多的场景，而随机插入、删除等操作因为要移动元素而比较慢。 LinkedList 内部采用链表的形式存储元素，随机访问比较慢，但是插入、删除元素比较快，一般认为时间复杂都是 O(1) (需要查找元素时就不是了，下面会说明)。本文分析 LinkedList 的具体实现。

继承关系

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

LinkedList 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，比如 add 方法：

public void add(int index, E element) {      try {          listIterator(index).add(element);      } catch (NoSuchElementException exc) {          throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index);      }  }

不过这些方法在 LinkedList 中被复写了。

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。

内部变量

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

总共就三个内部变量， size 是元素个数， first 是指向第一个元素的指针， last 则指向最后一个。元素在内部被封装成 Node 对象，这是一个内部类，看一下它的代码：

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;      }  }

可以看到这是一个双向链表的结构，每个节点保存它的前驱节点和后继节点。

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。比如在表头插入：

private void linkFirst(E e) {      final Node<E> f = first;    //先保存当前头节点      //创建一个新节点，节点值为e，前驱节点为空，后继节点为当前头节点      final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);      first = newNode;    //让first指向新节点      if (f == null)    //如果链表原来为空，把last指向这个唯一的节点          last = newNode;      else    ·        //否则原来的头节点的前驱指向新的头节点          f.prev = newNode;      size++;      modCount++;  }

其实就是双向链表的插入操作，调整指针的指向，时间复杂度为 O(1) ，学过数据结构的应该很容易看懂。其它还有几个类似的方法：

//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)          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;  }

公开方法

公开的方法几乎都是调用上面几个方法实现的，例如 add 方法：

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，代码如下：

Node<E> node(int index) {      // assert isElementIndex(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;      }  }

这里有个小技巧是先判断位置是在链表的前半段还是后半段，然后决定从链表的头还是尾去寻找节点。要注意的是 遍历链表寻找节点的时间复杂度是 O(n) ,即使做了位置的判断，最坏情况下也要遍历链表中一半的元素。所以此时插入操作的时间复杂度就不是 O(1) ,而是 O(n/2)+O(1) 。用于查找指定位置元素的 get(int index) 方法便是调用 node 实现的：

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

再看一下 remove 方法：

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 O(n) 。另外从这个方法可以看出 LinkedList 的元素可以是 null 。

总结

• LinkedList 基于双向链表实现，元素可以为 null 。

• LinkedList 插入、删除元素比较快，如果只要调整指针的指向那么时间复杂度是 O(1) ,但是如果针对特定位置需要遍历时，时间复杂度是 O(n) 。