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    LinkedList整体结构介绍和LinkedList源码分析

    更新时间:2020年10月13日11时25分 来源:乐鱼播客 浏览次数:

    LinkedList 集合底层是一个双向链表结构，具有增删快，查询慢的忒点,内部包含大量操作首尾元素的方法。适用于集合元素先入先出和先入后出的场景，在队列源码中被频繁使用。

    一、LinkedList整体架构

    LinkedList 底层数据结构是一个双向链表，整体结构如下图所示：
    LinkedList结构图
    上图代表了一个双向链表结构，可以通过前面的节点找到后面的节点,也可以通过后面的节点找到前面的节点

    相关概念:

    • Node: 代表链中的每个节，Node 的 prev 属性，代表前一个节点的地址，Node 的next 属性，代表后一个节点的地址；
    • first :代表双向链表的头节点，它的前一个节点是 null。
    • last: 代表双向链表的尾节点，它的后一个节点是 null；
    • 如果链表中没有任何数据时，头节点first 和 尾节点last 是同一个节点，前后指向都是 null；
    • 因为LinkedList集合是个双向链表，所以机器只要有足够强大的内存，对于LinkedList集合而言是没有大小限制的。

    链表中的元素被称为Node， Node被定义成私有静态内部类,内容如下 ：

    1. private static class Node<E> {
    2.     E item;// 节点中存储的数据
    3.     Node<E> next; // 下一个节点的地址
    4.     Node<E> prev; // 前一个节点的地址
    6.     // 构造方法初始化参数顺序分别是：前一个节点的地址值、当前节点中存储的数据、后一个节点的地址值
    7.     Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
    8.         this.item = element;
    9.         this.next = next;
    10.         this.prev = prev;
    11.     }
    12. }

    二、LinkedList 源码解析

    2.1 添加（新增）节点

    如果想在LinkedList集合中添加节点，我们把新加入的节点添加到链表头部，也可以把新加入的节点添加添加到链表尾部，add 方法默认是从尾部开始添加，addFirst 方法是从头部开始添加，下面分别来看下两种不同的添加方式：

    从尾部添加（add）

    1. // 从尾部开始添加节点
    2. void linkLast(E e) {
    3.     // 把尾节点数据暂存
    4.     final Node<E> l = last;
    5.     // 新建新的节点，初始化入参含义：
    6.     // l 是新节点的前一个节点，当前值是尾节点值
    7.     // e 表示当前新增节点，当前新增节点后一个节点是 null
    8.     final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
    9.     // 新建节点添加到尾部
    10.     last = newNode;
    11.     //如果链表为空（l 是尾节点，尾节点为空，链表即空），头部和尾部是同一个节点，都是新建的节点
    12.     if (l == null)
    13.         first = newNode;
    14.         //否则把前尾节点的下一个节点，指向当前尾节点。
    15.     else
    16.         l.next = newNode;    
    17.     size++;//集合元素数量增加1
    18.     modCount++;//实际修改次数增加1
    19. }

    从源码上来看，尾部添加节点比较简单.

    从头部添加（addFirst）

    1. // 从头部添加
    2. private void linkFirst(E e) {
    3.     // 头节点赋值给临时变量
    4.     final Node<E> f = first;
    5.     // 新建节点，前一个节点指向null，e 是新建节点，f 是新建节点的下一个节点，目前值是头节点的值
    6.     final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
    7.     // 新建节点成为头节点
    8.     first = newNode;
    9.     // 头节点为空，就是链表为空，头尾节点是一个节点
    10.     if (f == null)
    11.         last = newNode;
    12.     //上一个头节点的前一个节点指向当前节点
    13.     else
    14.         f.prev = newNode;
    15.     size++;
    16.     modCount++;
    17. }

    头部添加节点和尾部添加节点非常类似，只是前者是移动头节点的 prev 指向，后者是移动尾节点的 next 指向。

    2.2 删除节点

    节点删除的方式和添加类似，我们可以选择从头部删除，也可以选择从尾部删除，删除操作会把节点的值，前后指向节点都置为 null，帮助 GC 进行回收。

    从头部删除

    1. //从头删除节点 f 是链表头节点
    2. private E unlinkFirst(Node<E> f) {
    3.     // 拿出头节点的值，作为方法的返回值
    4.     final E element = f.item;
    5.     // 拿出头节点的下一个节点
    6.     final Node<E> next = f.next;
    7.     //帮助 GC 回收头节点
    8.     f.item = null;
    9.     f.next = null;
    10.     // 头节点的下一个节点成为头节点
    11.     first = next;
    12.     //如果 next 为空，表明链表为空
    13.     if (next == null)
    14.         last = null;
    15.     //链表不为空，头节点的前一个节点指向 null
    16.     else
    17.         next.prev = null;
    18.     //修改链表大小和版本
    19.     size--;
    20.     modCount++;
    21.     return element;
    22. }

    从尾部删除节点的代码也是类似的，这里就不再详细解释了。

    从源码中我们可以了解到，链表结构的节点新增、删除都非常简单，仅仅把前后节点的指向修改下就好了，所以 LinkedList 新增和删除速度很快。

    2.3 查询节点

    在链表查询某一个节点是比较慢的，因为需要挨个循环查找才行，我们看看 LinkedList 的源码是如何寻找节点的：

    1. // 根据链表索引位置查询节点
    2. Node<E> node(int index) {
    3.     // 如果 index 处于队列的前半部分，从头开始找，size >> 1 是 size 除以 2 的意思。
    4.     if (index < (size >> 1)) {
    5.         Node<E> x = first;
    6.         // 直到 for 循环到 index 的前一个 node 停止
    7.         for (int i = 0; i < index; i++)
    8.             x = x.next;
    9.         return x;
    10.     } else {// 如果 index 处于队列的后半部分，从尾开始找
    11.         Node<E> x = last;
    12.         // 直到 for 循环到 index 的后一个 node 停止
    13.         for (int i = size - 1; i > index; i--)
    14.             x = x.prev;
    15.         return x;
    16.     }
    17. }

    从源码中我们可以发现，LinkedList 并没有采用从头循环到尾的做法，而是采取了简单二分法，首先看看 index 是在链表的前半部分，还是后半部分。如果是前半部分，就从头开始寻找，反之亦然。通过这种方式，使循环的次数至少降低了一半，提高了查找的性能，这种思想值得我们借鉴。

    2.4 迭代器

    因为 LinkedList 要实现双向的迭代访问，所以我们使用 Iterator 接口肯定不行了，因为 Iterator 只支持从头到尾的访问。Java 新增了一个迭代接口，叫做：ListIterator，这个接口提供了向前和向后的迭代方法，如下所示：

    迭代顺序 方法
    从尾到头迭代方法 hasPrevious、previous、previousIndex
    从头到尾迭代方法 hasNext、next、nextIndex

    LinkedList 实现了 ListIterator 接口，如下图所示：

    1. // 双向迭代器
    2. private class ListItr implements ListIterator<E> {
    3.     private Node<E> lastReturned;//上一次执行 next() 或者 previos() 方法时的节点位置
    4.     private Node<E> next;//下一个节点
    5.     private int nextIndex;//下一个节点的位置
    6.     //expectedModCount：期望版本号；modCount：目前最新版本号
    7.     private int expectedModCount = modCount;
    8.     …………
    9. }

    我们先来看下从头到尾方向的迭代：

    1. // 判断还有没有下一个元素
    2. public boolean hasNext() {
    3.     return nextIndex < size;// 下一个节点的索引小于链表的大�。陀�
    4. }
    6. // 取下一个元素
    7. public E next() {
    8.     //检查期望版本号有无发生变化
    9.     checkForComodification();
    10.     if (!hasNext())//再次检查
    11.         throw new NoSuchElementException();
    12.     // next 是当前节点，在上一次执行 next() 方法时被赋值的。
    13.     // 第一次执行时，是在初始化迭代器的时候，next 被赋值的
    14.     lastReturned = next;
    15.     // next 是下一个节点了，为下次迭代做准备
    16.     next = next.next;
    17.     nextIndex++;
    18.     return lastReturned.item;
    19. }

    上述源码的思路就是直接取当前节点的下一个节点，而从尾到头迭代稍微复杂一点，如下：

    1. // 如果上次节点索引位置大于 0，就还有节点可以迭代
    2. public boolean hasPrevious() {
    3.     return nextIndex > 0;
    4. }
    5. // 取前一个节点
    6. public E previous() {
    7.     checkForComodification();
    8.     if (!hasPrevious())
    9.         throw new NoSuchElementException();
    10.     // next 为空场景：1:说明是第一次迭代，取尾节点(last);2:上一次操作把尾节点删除掉了
    11.     // next 不为空场景：说明已经发生过迭代了，直接取前一个节点即可(next.prev)
    12.     lastReturned = next = (next == null) ? last : next.prev;
    13.     // 索引位置变化
    14.     nextIndex--;
    15.     return lastReturned.item;
    16. }

    这里复杂点体现在需要判断 next 不为空和为空的场景，代码注释中有详细的描述。

    迭代器删除

    LinkedList 在删除元素时，也推荐通过迭代器进行删除，删除过程如下：

    1. public void remove() {
    2.     checkForComodification();
    3.     // lastReturned 是本次迭代需要删除的值，分以下空和非空两种情况：
    4.     // lastReturned 为空，说明调用者没有主动执行过 next() 或者 previos()，直接报错
    5.     // lastReturned 不为空，是在上次执行 next() 或者 previos()方法时赋的值
    6.     if (lastReturned == null)
    7.         throw new IllegalStateException();
    8.     Node<E> lastNext = lastReturned.next;
    9.     //删除当前节点
    10.     unlink(lastReturned);
    11.     // next == lastReturned 的场景分析：从尾到头递归顺序，并且是第一次迭代，并且要删除最后一个元素的情况下
    12.     // 这种情况下，previous() 方法里面设置了 lastReturned = next = last,所以 next 和 lastReturned会相等
    13.     if (next == lastReturned)
    14.         // 这时候 lastReturned 是尾节点，lastNext 是 null，所以 next 也是 null，这样在 previous() 执行时，发现 next 是 null，就会把尾节点赋值给 next
    15.         next = lastNext;
    16.     else
    17.         nextIndex--;
    18.     lastReturned = null;
    19.     expectedModCount++;
    20. }

    总结

    LinkedList 适用于要求有顺序、并且会按照顺序进行迭代的场景，主要是依赖于底层的链表结构，在面试中的频率还是蛮高的，相信理清楚上面的源码后，应对面试应该没有问题。

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