Java -- 基于JDK1.8的LinkedList源码分析

1，上周末我们一起分析了ArrayList的源码并进行了一些总结，因为最近在看Collection这一块的东西，下面的图也是大致的总结了Collection里面重要的接口和类，如果没有意外的话后面基本上每一个都会和大家一起学习学习，所以今天也就和大家一起来看看LinkedList吧！

哦，不对，放错图了，是下面的图，嘿嘿嘿。。。

2，记得首次接触LinkedList还是在大学Java的时候，当时说起LinkedList的特性和应用场景：LinkedList基于双向链表适用于增删频繁且查询不频繁的场景，线程不安全的且适用于单线程（这点和ArrayList很像）。然后还记得一个很深刻的是可以用LinkedList来实现栈和队列，那让我们一起看一看源码到底是怎么来实现这些特点的

　　2.1 构造函数

public class LinkedList<E>extends AbstractSequentialList<E>implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable
{transient int size = 0;transient Node<E> first;transient Node<E> last;public LinkedList() {}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;elsepred.next = newNode;pred = newNode;}if (succ == null) {last = pred;} else {pred.next = succ;succ.prev = pred;}size += numNew;modCount++;return true;}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;}}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;}}    }

　　首先我们知道常见的构造是LinkedList()和LinkedList(Collection<? extends E> c)两种，然后再来看看我们继承的类和实现的接口

LinkedList 集成AbstractSequentialList抽象类，内部使用listIterator迭代器来实现重要的方法
LinkedList 实现 List 接口，能对它进行队列操作。
LinkedList 实现 Deque 接口，即能将LinkedList当作双端队列使用。
LinkedList 实现了Cloneable接口，即覆盖了函数clone()，能克隆。
LinkedList 实现java.io.Serializable接口，这意味着LinkedList支持序列化，能通过序列化去传输。

　　可以看到，相对于ArrayList，LinkedList多实现了Deque接口而少实现了RandomAccess接口，且LinkedList继承的是AbstractSequentialList类，而ArrayList继承的是AbstractList类。那么我们现在有一个疑问，这些多实现或少实现的接口和类会对我们LinkedList的特点产生影响吗？这里我们先将这个疑问放在心里，我们先走正常的流程，先把LinkedList的源码看完（主要是要解释这些东西看Deque的源码，还要去看Collections里面的逻辑，我怕扯远了）

　　第5-7行：定义记录元素数量size，因为我们之前说过LinkedList是个双向链表，所以这里定义了链表链表头节点first和链表尾节点last

　　第60-70行：定义一个节点Node类，next表示此节点的后置节点，prev表示侧节点的前置节点，element表示元素值

　　第22行：检查当前的下标是否越界，因为是在构造函数中所以我们这边的index为0，且size也为0

　　第24-29行：将集合c转化为数组a，并获取集合的长度；定义节点pred、succ，pred用来记录前置节点，succ用来记录后置节点

　第70-89行：node()方法是获取LinkedList中第index个元素，且根据index处于前半段还是后半段进行一个折半，以提升查询效率

　　第30-36行：如果index==size，则将元素追加到集合的尾部，pred = last将前置节点pred指向之前结合的尾节点，如果index！=size表明是插入集合，通过node(index)获取当前要插入index位置的节点，且pred = succ.prev表示将前置节点指向于当前要插入节点位置的前置节点

　　第38-46行：链表批量增加，是靠for循环遍历原数组，依次执行插入节点操作，第40行以前置节点和元素值e，构建new一个新节点；第41行如果前置节点是空，说明是头结点，且将成员变量first指向当前节点，如果不是头节点，则将上一个节点的尾节点指向当前新建的节点；第45行将当前的节点为前置节点了，为下次添加节点做准备。这些走完基本上我们的新节点也都创建出来了，可能这块代码有点绕，大家多看看

　　第48-53行：循环结束后，判断如果后置节点是null，说明此时是在队尾添加的，设置一下队列尾节点last，如果不是在队尾，则更新之前插入位置节点的前节点和当前要插入节点的尾节点

　　第55-56行：修改当前集合数量、修改modCount记录值

　　ok,虽然说是分析的构造函数的源码，但是把node(int index)、addAll(int index, Collection<? extends E> c)方法也都看了，所以来小结一下：链表批量增加，是靠for循环遍历原数组，依次执行插入节点操作；通过下标index来获取节点Node是采用的折半法来提升效率的

　　2.2 增加元素

　　常见的方法有以下三种

linkedList.add(E e)
linkedList.add(int index, E element)
linkedList.addAll(Collection<? extends E> c)

　　来看看具体的源码

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;elsel.next = newNode;size++;modCount++;
}public void add(int index, E element) {checkPositionIndex(index);if (index == size)linkLast(element);elselinkBefore(element, node(index));}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;elsepred.next = newNode;size++;modCount++;}public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {return addAll(size, c);}

　　第2、6-16行：创建一个newNode它的prev指向之前队尾节点last，并记录元素值e，之前的队尾节点last的next指向当前节点，size自增，modcount自增

　　第18-20，27-38行：首先去检查下标是否越界，然后判断如果加入的位置刚好位于队尾就和我们add（E element）的逻辑一样了，如果不是则需要通过 node(index)函数定位出当前位于index下标的node，再通过linkBefore()函数创建出newNode将其插入到原先index位置

　　第40-42行：就是我们在构造函数中看过的批量加入元素的方法

　　OK，添加元素也很简单，如果是在队尾进行添加的话只需要创建一个新Node将其前置节点指向之前的last，如果是在队中添加节点，首选拆散原先的index-1、index、index+1之间的联系，新建节点插入进去即可。

　　2.3 删除元素

　　常见方法有以下这几个方法

linkedList.remove(int index)
linkedList.remove(Object o)
linkedList.remove(Collection<?> c)

　　源码如下

public E remove(int index) {checkElementIndex(index);return unlink(node(index));}unlink(Node<E> x) {// assert x != null;final E element = x.item;final Node<E> next = x.next;final Node<E> prev = x.prev;if (prev == null) {first = next;} else {prev.next = next;x.prev = null;}if (next == null) {last = prev;} else {next.prev = prev;x.next = null;}x.item = null;size--;modCount++;return element;}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;}public boolean removeAll(Collection<?> c) {Objects.requireNonNull(c);boolean modified = false;Iterator<?> it = iterator();while (it.hasNext()) {if (c.contains(it.next())) {it.remove();modified = true;}}return modified;}

　　第1-4，6-30行：首先根据index通过方法值node(index)来确定出集合中的下标是index的node，咋们主要看unlink()方法，代码感觉很多，其实只是将当前要删除的节点node的头结点的尾节点指向node的尾节点、将node的尾结点的头节点指向node的头节点，可能有点绕（哈哈），看一下代码基本上就可以理解了，然后将下标为index的node置空，供GC回收

　　第32-49行：首先判断一下当前要删除的元素o是否为空，然后进行for循环定位出当前元素值等于o的节点node，然后再走的逻辑就是上面我们看到过的unlink()方法，也很简单，比remove(int index) 多了一步

　　第51-62行：这一块因为涉及到迭代器Iterator，而我们LinkedList使用的是ListItr，这个后面我们将迭代器的时候一起讲，不过大致的逻辑是都可以看懂的，和我们的ArrayList的迭代器方法的含义一样的，可以先那样理解

　　ok，小结一下，按下标删，也是先根据index找到Node，然后去链表上unlink掉这个Node。按元素删，会先去遍历链表寻找是否有该Node，考虑到允许null值，所以会遍历两遍，然后再去unlink它。

　　2.5 修改元素

public E set(int index, E element) {checkElementIndex(index);Node<E> x = node(index);E oldVal = x.item;x.item = element;return oldVal;}

　　只有这一种方法，首先检查下标是否越界，然后根据下标获取当前Node，然后修改节点中元素值item，超级简单

　　2.6 查找元素

public E get(int index) {checkElementIndex(index);//判断是否越界 [0,size)return node(index).item; //调用node()方法 取出 Node节点，
}public int indexOf(Object o) {int index = 0;if (o == null) {for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {if (x.item == null)return index;index++;}} else {for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {if (o.equals(x.item))return index;index++;}}return -1;}public int lastIndexOf(Object o) {int index = size;if (o == null) {for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) {index--;if (x.item == null)return index;}} else {for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) {index--;if (o.equals(x.item))return index;}}return -1;}

　　获取元素的源码也很简单，主要是通过node(index)方法获取节点，然后获取元素值，indexOf和lastIndexOf方法的区别在于一个是从头向尾开始遍历，一个是从尾向头开始遍历

　　2.7 迭代器

 public Iterator<E> iterator() {return listIterator();}public ListIterator<E> listIterator() {return listIterator(0);}public ListIterator<E> listIterator(final int index) {rangeCheckForAdd(index);return new ListItr(index);}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();}}}

　　可以看到，其实最后使用的迭代器是使用的ListIterator类，且集成自Itr，而Itr类就是我们昨天ArrayList内部使用的类，hasNext()方法和我们之前的一样，判断不等于size大小，然后next()获取元素主要也是E next = get(i);这行代码，这样就又走到我们之前的获取元素的源码当中，获得元素值。

　　OK，这样我们上面的基本方法都看完了，再来看看我们上面遗留的问题，首先来看Deque接口有什么作用，我们来一起看看

Deque 是 Double ended queue (双端队列) 的缩写,读音和 deck 一样，蛋壳。
Deque 继承自 Queue,直接实现了它的有 LinkedList, ArayDeque, ConcurrentLinkedDeque 等。
Deque 支持容量受限的双端队列，也支持大小不固定的。一般双端队列大小不确定。
Deque 接口定义了一些从头部和尾部访问元素的方法。比如分别在头部、尾部进行插入、删除、获取元素。

public interface Deque<E> extends Queue<E> {void addFirst(E e);//插入头部，异常会报错boolean offerFirst(E e);//插入头部，异常不报错E getFirst();//获取头部，异常会报错E peekFirst();//获取头部，异常不报错E removeFirst();//移除头部，异常会报错E pollFirst();//移除头部，异常不报错void addLast(E e);//插入尾部，异常会报错boolean offerLast(E e);//插入尾部，异常不报错E getLast();//获取尾部，异常会报错E peekLast();//获取尾部，异常不报错E removeLast();//移除尾部，异常会报错E pollLast();//移除尾部，异常不报错
}

　　Deque也就是一个接口，上面是接口里面的方法，然后了解Deque就必须了解Queue

public interface Queue<E> extends Collection<E> {//往队列插入元素，如果出现异常会抛出异常boolean add(E e);//往队列插入元素，如果出现异常则返回falseboolean offer(E e);//移除队列元素，如果出现异常会抛出异常E remove();//移除队列元素，如果出现异常则返回nullE poll();//获取队列头部元素，如果出现异常会抛出异常E element();//获取队列头部元素，如果出现异常则返回nullE peek();
}

　　然后我们知道LinkedList实现了Deque接口，也就是说可以使用LinkedList实现栈和队列的功能，让写写看

package com.ysten.leakcanarytest;import java.util.Collection;
import java.util.LinkedList;/*** desc    : 实现栈* time    : 2018/10/31 0031 19:07** @author : wangjitao*/
public class Stack<T>
{private LinkedList<T> stack;//无参构造函数public Stack(){stack=new LinkedList<T>();}//构造一个包含指定collection中所有元素的栈public Stack(Collection<? extends T> c){stack=new LinkedList<T>(c);}//入栈public void push(T t){stack.addFirst(t);}//出栈public T pull(){return stack.remove();}//栈是否为空boolean isEmpty(){return stack.isEmpty();}//打印栈元素public void show(){for(Object o:stack)System.out.println(o);}
}

　　测试功能

public static void main(String[] args){Stack<String> stringStack = new Stack<>();stringStack.push("1");stringStack.push("2");stringStack.push("3");stringStack.push("4");stringStack. show();}打印结果如下：
4
3
2
1

　　队列的实现类似的，大家可以下来自己写一下，然后继续我们的问题，实现Deque接口和实现RandomAccess接口有什么区别，我们上面看了Deque接口，实现Deque接口可以拥有双向链表功能，那我们再来看看RandomAccess接口

1 public interface RandomAccess {
2 }

　　发现什么都没有，原来RandomAccess接口是一个标志接口（Marker），然而实现这个接口有什么作用呢？

　　答案是只要List集合实现这个接口，就能支持快速随机访问，然而又有人问，快速随机访问是什么东西？有什么作用？

　　google是这样定义的：给可以提供随机访问的List实现去标识一下，这样使用这个List的程序在遍历这种类型的List的时候可以有更高效率。仅此而已。

　　这时候看一下我们Collections类中的binarySearch方法

int binarySearch(List<? extends Comparable<? super T>> list, T key) {if (list instanceof RandomAccess || list.size()<BINARYSEARCH_THRESHOLD)return Collections.indexedBinarySearch(list, key);elsereturn Collections.iteratorBinarySearch(list, key);}

　　可以看到这时候去判断了如果当前集合实现了RandomAccess接口就会走Collections.indexedBinarySearch方法，那么我们来看一下Collections.indexedBinarySearch()方法和Collections.iteratorBinarySearch()的区别是什么呢？

int indexedBinarySearch(List<? extends Comparable<? super T>> list, T key) {int low = 0;int high = list.size()-1;while (low <= high) {int mid = (low + high) >>> 1;Comparable<? super T> midVal = list.get(mid);int cmp = midVal.compareTo(key);if (cmp < 0)low = mid + 1;else if (cmp > 0)high = mid - 1;elsereturn mid; // key found}return -(low + 1);  // key not found}int iteratorBinarySearch(List<? extends Comparable<? super T>> list, T key){int low = 0;int high = list.size()-1;ListIterator<? extends Comparable<? super T>> i = list.listIterator();while (low <= high) {int mid = (low + high) >>> 1;Comparable<? super T> midVal = get(i, mid);int cmp = midVal.compareTo(key);if (cmp < 0)low = mid + 1;else if (cmp > 0)high = mid - 1;elsereturn mid; // key found}return -(low + 1);  // key not found}

　　通过查看源代码，发现实现RandomAccess接口的List集合采用一般的for循环遍历，而未实现这接口则采用迭代器

，那现在让我们以LinkedList为例子看一下，通过for循环、迭代器、removeFirst和removeLast来遍历的效率（之前忘记写这一块了，顺便一块先写了对于LinkedList那种访问效率要高一些）

　　迭代器遍历

LinkedList linkedList = new LinkedList();
for(int i = 0; i < 100000; i++){linkedList.add(i);
}
// 迭代器遍历long start = System.currentTimeMillis();Iterator iterator = linkedList.iterator();while(iterator.hasNext()){iterator.next();}long end = System.currentTimeMillis();System.out.println("Iterator："+ (end - start) +"ms");打印结果：Iterator：28ms

　　for循环get遍历

// 顺序遍历(随机遍历)long start = System.currentTimeMillis();for(int i = 0; i < linkedList.size(); i++){linkedList.get(i);
}
long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("for ："+ (end - start) +"ms");打印结果   for ：6295ms

　　使用增强for循环

long start = System.currentTimeMillis();
for(Object  i : linkedList);
long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("增强for ："+ (end - start) +"ms");输出结果 增强for ：6ms

　　removeFirst来遍历

long start = System.currentTimeMillis();
while(linkedList.size() != 0){linkedList.removeFirst();
}
long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("removeFirst ："+ (end - start) +"ms");输出结果 removeFirst ：3ms

　　综上结果可以看到，遍历LinkedList时，使用removeFirst()或removeLast()效率最高，而for循环get()效率最低，应避免使用这种方式进行。应当注意的是，使用removeFirst()或removeLast()遍历时，会删除原始数据，若只单纯的读取，应当选用迭代器方式或增强for循环方式。

　　ok，上述的都是只针对LinkedList而言测试的，然后我们接着上面的RandomAccess接口来讲，看看通过对比ArrayList的for循环和迭代器遍历看看访问效率

　　ArrayList的for循环

long start = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < arrayList.size(); i++) {arrayList.get(i);
}long end = System.currentTimeMillis();System.out.println("for  ："+ (end - start) +"ms");输出结果  for  ：3ms

　　ArrayList的迭代遍历

 long start = System.currentTimeMillis();
Iterator iterable = arrayList.iterator() ;
while (iterable.hasNext()){iterable.next();
}long end = System.currentTimeMillis();System.out.println("for  ："+ (end - start) +"ms");输出结果 for  ：6ms

　　所以让我们来综上对比一下

ArrayList普通for循环：3ms迭代器：6ms
LinkedList普通for循环：6295ms    迭代器：28ms

　　从上面数据可以看出，ArrayList用for循环遍历比iterator迭代器遍历快，LinkedList用iterator迭代器遍历比for循环遍历快,所以对于不同的List实现类，遍历的方式有所不用，RandomAccess接口这个空架子的存在，是为了能够更好地判断集合是否ArrayList或者LinkedList，从而能够更好选择更优的遍历方式，提高性能！

　　（在这里突然想起在去年跳槽的时候，有家公司的面试官问我，list集合的哪一种遍历方式要快一些，然后我说我没有每个去试过，结果那位大佬说的是for循环遍历最快，还叫我下去试试，现在想想，只有在集合是ArrayList的时候for循环才最快，对于LinkedList来说for循环反而是最慢的，那位大佬，你欠我一声对不起（手动斜眼微笑））

3，上面把我们该看的点都看了，那么我们再来总结总结：

　　LinkedList 是双向列表，链表批量增加，是靠for循环遍历原数组，依次执行插入节点操作。

　　ArrayList基于数组， LinkedList基于双向链表，对于随机访问， ArrayList比较占优势，但LinkedList插入、删除元素比较快，因为只要调整指针的指向。针对特定位置需要遍历时，所以LinkedList在随机访问元素的话比较慢。

　　LinkedList没有实现自己的 Iterator，使用的是 ListIterator。

　　LinkedList需要更多的内存，因为 ArrayList的每个索引的位置是实际的数据，而 LinkedList中的每个节点中存储的是实际的数据和前后节点的位置。

　　LinkedList也是非线程安全的，只有在单线程下才可以使用。为了防止非同步访问，Collections类里面提供了synchronizedList()方法。

　　好了，也不早了，大家早点休息，下次再见。。。

转载于:https://www.cnblogs.com/wjtaigwh/p/9883828.html

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