Java 集合系列3、骨骼惊奇之LinkedList

1、LinkedList 概述

我们在前面的文章中已经介绍过 List 大家族中的 ArrayList 和Vector 这两位犹如孪生兄弟一般，从底层实现，功能都有着相似之处，除了一些个人行为不同（成员变量，构造函数和方法线程安全）。接下来，我们将会认识一下他们的另一位功能强大的兄弟：LinkedList

LinkedList 的依赖关系：

public class LinkedList<E>extends AbstractSequentialList<E>implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable
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1、继承于 AbstractSequentialList ，本质上面与继承 AbstractList 没有什么区别，AbstractSequentialList 完善了 AbstractList 中没有实现的方法。
2、Serializable：成员变量 Node 使用 transient 修饰，通过重写read/writeObject 方法实现序列化。
3、Cloneable：重写clone（）方法，通过创建新的LinkedList 对象，遍历拷贝数据进行对象拷贝。
4、Deque：实现了Collection 大家庭中的队列接口，说明他拥有作为双端队列的功能。

eng～从上述实现接口来看，LinkedList 与 ArrayList 之间在整体上面的区别在于，LinkedList 实现了 Collection 大家庭中的Queue（Deque）接口，拥有作为双端队列的功能。（就好比一个小孩子，他不仅仅有父母的特性，他们有些人还会有舅舅的一些特性，好比外甥长得像舅舅一般）。

2、LinkedList 成员变量

    transient int size = 0;/*** Pointer to first node.* Invariant: (first == null && last == null) ||*            (first.prev == null && first.item != null)*/transient Node<E> first;/*** Pointer to last node.* Invariant: (first == null && last == null) ||*            (last.next == null && last.item != null)*/transient Node<E> last;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;}}
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LinkedList 的成员变量主要由 size（数据量大小），first(头节点)和last（尾节点）。结合数据结构中双端链表的思想，每个节点需要拥有，保存数据（E item），指向下一节点（Node next ）和指向上一节点（Node prev）。

LinkedList 与ArrayLit、Vector 的成员变量对比中，明显没有提供 MAX_ARRAY_SIZE 这一个最大值的限定，这是由于链表没有长度限制的原因，他的内存地址不需要分配固定长度进行存储，只需要记录下一个节点的存储地址即可完成整个链表的连续。

拓展思考： LinkedList 中 JDK 1.8 与JDK 1.6 有哪些不同？

主要不同为，LinkedList 在1.6 版本以及之前，只通过一个 header 头指针保存队列头和尾。这种操作可以说很有深度，但是从代码阅读性来说，却加深了阅读代码的难度。因此在后续的JDK 更新中，将头节点和尾节点区分开了。节点类也更名为 Node。

3、LinkedList 构造函数

LinkedList 只提供了两个构造函数：

LinkedList()
LinkedList(Collection<? extends E> c)

在JDK1.8 中，LinkedList 的构造函数 LinkedList（）是一个空方法，并没有提供什么特殊操作。区别于 JDK1.6 中，会初始化 header 为一个空的指针对象。

3.1 LinkedList()

JDK 1.6

private transient Entry<E> header = new Entry<E>(null, null, null);public LinkedList() {header.next = header.previous = header;}复制代码

JDK 1.8 在使用的时候，才会创建第一个节点。

    public LinkedList() {}
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3.2 LinkedList(Collection<? extends E> c)

   public LinkedList(Collection<? extends E> c) {this();addAll(c);}
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这一构造方法主要通过调用addAll 进行创建对象，在介绍LinkedList 添加方法的时候再进行细述。

3.3 小结

LinkedList 在新版本的实现中，除了区分了头节点和尾节点外，更加注重在使用时进行内存分配，这里跟ArrayList 类似（ArrayList 默认构造器是创建一个空的数组对象）。

4、添加方法（Add）

LinkedList 继承了 AbstractSequentialList（AbstractList），同时实现了Deque 接口，因此，他在添加方法这一块，包含了两者的操作：

AbstractSequentialList:

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

Deque

addFirst(E e)
addLast(E e)
offer(E e)
offerFirst(E e)
offerLast(E e)

4.1 add(E e) & addLast(E e) & offer(E e) & offerLast(E e)

虽然 LinkedList 分别实现了List 和 Deque 的添加方法，但是在某种意义上，这些方法其实都是有共性的。例如，我们调用add（E e）方法，不管是ArrayList 或 Vector 等列表，都是默认在数组末尾进行添加，因此与队列中在末尾添加节点 addLast（E e）是有着一样的韵味的。所以，从LinkedList 的源码中，这几个方法，底层操作其实是一致的。

    public boolean add(E e) {linkLast(e);return true;}public void addLast(E e) {linkLast(e);}public boolean offer(E e) {return add(e);}public boolean offerLast(E e) {addLast(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++;}
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我们主要分析一下 linkLast 这个方法：

获取尾节点（last）
创建插入节点，并且设置上一节点为 last，下一节点为 null。
设置新节点为末尾节点（last）
如果 l（初始末尾节点）==null，说明这是第一次操作，新加入的为头节点
否则，设置 l（初始末尾节点）的下一节点为新加入的节点
size + 1，操作计数 + 1

拓展思考：为什么内部变量 Node l 需要使用 final 进行修饰？

4.2 addFirst(E e) & offerFirst（E e）

    public boolean offerFirst(E e) {addFirst(e);return true;}public void addFirst(E e) {linkFirst(e);}private void linkFirst(E e) {final Node<E> f = first;final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);first = newNode;if (f == null)last = newNode;elsef.prev = newNode;size++;modCount++;}
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从上述代码可以看出，offerFirst 和addFirst 其实都是一样的操作，只是返回的数据类型不同。而 linkFirst 方法，则与 linkLast 其实是一样的思想，这里也不做细述。

4.3 add(int index，E e)

这里我们主要讲一下，为什么LinkedList 在添加、删除元素这一方面优于 ArrayList。

    public void add(int index, E element) {checkPositionIndex(index);// 如果插入节点为末尾，直接插入if (index == size)linkLast(element);// 否则，找到该节点，进行插入elselinkBefore(element, node(index));}Node<E> node(int index) {// 这里顺序查找元素，通过二分查找的方式，决定从头或尾节点开始进行查找，时间复杂度为 n/2if (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;}}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++;}
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LinkedList 在 add（int index，Element e）方法的流程

判断下标有效性
如果插入位置为末尾，直接插入
否则，遍历1/2的链表找到 index 下标的节点
通过 succ 设置新节点的前，后节点

LinkedList 在插入数据之所以会优于ArrayList，主要是由于在插入数据这一环节（linkBefore），插入计算只需要设置节点的前，后节点即可，而ArrayList 则需要将整个数组的数据进行后移（

System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,size - index);
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）

4.4 addAll(Collection<? extends E> c)

LinkedList 中提供的两个addAll 方法中，其实内部实现也是一样的，主要通过： addAll(int index, Collection<? extends E> c)进行实现：

    public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {return addAll(size, c);}public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {checkPositionIndex(index);//将集合转化为数组Object[] a = c.toArray();int numNew = a.length;if (numNew == 0)return false;Node<E> pred, succ;//获取插入节点的前节点（prev）和尾节点（next）if (index == size) {succ = null;pred = last;} else {succ = node(index);pred = succ.prev;}//将集合中的数据编织成链表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;}//将 Collection 的链表插入 LinkedList 中。if (succ == null) {last = pred;} else {pred.next = succ;succ.prev = pred;}size += numNew;modCount++;return true;}复制代码

4.5 小结

LinkedList 在插入数据优于ArrayList ，主要是因为他只需要修改指针的指向即可，而不需要将整个数组的数据进行转移。而LinkedList 优于没有实现 RandomAccess，或者说不支持索引搜索的原因，他在查找元素这一操作，需要消耗比较多的时间进行操作（n/2）。

5、删除方法（Remove）

AbstractSequentialList：

remove（int index）
remove（Object o）

Deque

remove()
removeFirst()
removeLast()
removeFirstOccurrence(Object o)
removeLastOccurrence(Object o)

5.1 remove（int index)&remove（Object o）

在 ArrayList 中，remove（Object o）方法，是通过遍历数组，找到下标后，通过fastRemove（与 remove（int i）类似的操作）进行删除。而LinkedList，则是遍历链表，找到目标节点（node），通过 unlink 进行删除：我们这里主要来看看 unlink 方法：

    E 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;}
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整个过程为：

获取目标节点的 next、prev
如果prev 为空，说明目标节点为头节点
设置first 为目标节点的下一节点（next）
否则设置prev节点的下一节点为next（即将自己重链表中剔除）
如果 next 为空，说明目标节点为尾节点
设置last 为目标节点的上一节点
否则，设置next节点的上一节点为prev
将目标节点设置为null

可以看到，删除方法与添加方法类似，只需要修改节点关系即可，避免了类似于ArrayList 的数组平移情况，大大减少了时间损耗。

5.2 Deque 中的Remove

Deque 中的 removeFirstOccurrence 和 removeLastOccurrence 主要过程为，首先从first/last 节点开始遍历，当发现第一个目标对象，则低哦啊用remove（Object o）进行删除对象。总体上没有什么特别之处。

稍有不同的是Deque 中的removeFirst（）和removeLast（）方法，在底层实现上面，由于明确知道删除的对象为first/last对象，因此在删除操作上面会更加简单：

    public E removeFirst() {final Node<E> f = first;if (f == null)throw new NoSuchElementException();return unlinkFirst(f);}private E unlinkFirst(Node<E> f) {// assert f == first && f != null;final E element = f.item;final Node<E> next = f.next;f.item = null;f.next = null; // help GCfirst = next;if (next == null)last = null;elsenext.prev = null;size--;modCount++;return element;}
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整体操作为，将first 节点的next 设置为新的头节点，然后将 f 清空。 removeLast 操作也类似。

结合队列的思想，removeFirst 和removeLast 都会返回数据 E，相当于我们的出列操作（pollFirst/pollLast）

6 LinkedList 双端链表

我们之所以说LinkedList 为双端链表，是因为他实现了Deque 接口，支持队列的一些操作，我们来看一下有哪些方法实现：

pop（）
poll（）
push（）
peek（）
offer（）

可以看到Deque 中提供的方法主要有上述的几个方法，接下来我们来看看在LinkedList 中是如何实现这些方法的。

6.1 pop（） & poll（）

LinkedList#pop 的源码：

    public E pop() {return removeFirst();}public E removeFirst() {final Node<E> f = first;if (f == null)throw new NoSuchElementException();return unlinkFirst(f);}
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从上述代码可以看出，Pop（）的操作为，队列头部元素出队列，如果过first 为空会抛出异常。

LinkedList#poll 的源码：

    public E poll() {final Node<E> f = first;return (f == null) ? null : unlinkFirst(f);}
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对比 pop 和poll 的源码可以看到，虽然同样是 first 出列，不同的是，如果first 为null， pop（）方法会抛出异常。

6.2 push（）

push（）方法的底层实现，其实就是调用了 addFirst（Object o）：

    public void push(E e) {addFirst(e);}
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push()方法的操作，主要跟栈（Stack）中的入栈操作类似。

6.3 peek（）

LinkedList#peek 操作主要为，将取队列头部元素的值（根据队列的 FIFO，peek为取头部数据）

    public E peek() {final Node<E> f = first;return (f == null) ? null : f.item;}复制代码

6.3 offer（）

offer()方法为直接调用添加方法。

    public boolean offer(E e) {return add(e);}
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7 LinkedList 遍历

LinkedList 由于没有实现 RandomAccess，因此，在以随机访问的形式进行遍历时效果会非常低下。除此之外，LinkedList 提供了类似于通过Iterator 进行遍历，节点的prev 或 next 进行遍历，还有for循环遍历，都有不错的效果。

8 总结

没有太多的拓展思考，脑子不够清晰，总体来说，List 接口下面的小家庭的源码以及分析完了。对每一个成员都有了进一步的了解，面试的时候，也不会再简单的回答，linkedList 插入删除性能比较好，ArrayList 能过快速定位元素，Vector 是线程安全。只有在充分了解其实现，你才会发现，你回答的虽然没错，但是也就60分而已，如果你想要将每一个问题回答的完美，那么请认真思考，认真去了解它。