LinkedList接口源码解读

news2024/11/15 21:49:50

LinkedList 接口源码解读（一）

前言

因为追求质量，所以写的较慢。大概在接下来的三天内会把LinkedList源码解析出完。大概还有两篇文章。废话不多说，正片开始！

大家都知道，LinkedList是在Java底层中是由 双向链表 实现的。那么今天我们就来阅读下源码，看看Java是如何实现这个功能强大的集合。

注意： JDK1.6 之前为双向循环链表，JDK1.7 取消了循环，只使用了双向链表。

首先，我们看一下LinkedList类定义

public class LinkedList<E> 
    extends AbstractSequentialList<E> 
    implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, Serializable {
    // transient 关键字表示被该关键字修饰的属性不会被序列化。
    transient int size;
    transient Node<E> first;
    transient Node<E> last;
    private static final long serialVersionUID = 876323262645176354L;
}

一. 继承和实现关系

LinkedList 类继承了 AbstractSequentialList ，而AbstractSequentialList 又继承了 AbstractList 。

  • 我们知道 ArrayList也继承了AbstractList ，所以LinkedList中的大部分方法会和ArrayList相似。

LinkedList类实现了List、Deque 、Cloneable、Serializable 接口。

  • List ： **表明它是一个列表，支持添加、删除、查找等操作，并且可以通过下标进行访问。 **

  • Deque ： 继承自 Queue 接口，具有双端队列的特性，支持从两端插入和删除元素，方便实现栈和队列等数据结构。

  • Cloneable ：Cloneable 注解是一个标记接口，我们点进去会发现它并没有任何方法。此接口表明LinkedList具有拷贝能力，可以进行深拷贝或浅拷贝操作 。

    package java.lang;

public interface Cloneable {
}

  • Serializable : 表明它可以进行序列化操作，也就是可以将对象转换为字节流进行持久化存储或网络传输，非常方便。
    在这里插入图片描述

二、属性实现

LinkedList 中的元素属性是通过 Node 类来声明的：

private static class Node<E> {
    E item;  // 元素值
    Node<E> next; // 指向下一个节点的指针
    Node<E> prev;  // 指向上一个节点的指针

    // 构造方法中，初始化参数顺序分别是：前驱结点、本身节点值、后继节点
    Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
        this.item = element;
        this.next = next;
        this.prev = prev;
    }
}

三、初始化

在进入正题之前，我先来给各位科普下 transient 关键字的作用是什么？

相信大家在阅读源码的过程中，很多属性的定义前都会加transient关键字。

  • transient是Java语言的关键字，用来表示一个成员变量不是该对象序列化的一部分。当一个对象被序列化的时候，transient所修饰的变量的值不包括在序列化的结果中。
transient int size;  // 链表节点的个数，默认为 0
transient Node<E> first;  // 指向链表的第一个节点
transient Node<E> last;  // 指向链表的最后一个节点
private static final long serialVersionUID = 876323262645176354L;

// 无参构造方法，调用此构造方法创建的集合长度默认为 0
public LinkedList() {
    this.size = 0;
}

// 有参构造方法，传入一个集合类型作为参数，会创建一个与传入集合相同元素的链表对象
public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
    this();
    this.addAll(c);
}

在调用有参构造方法时，LinkedList会调用两个方法this()、addAll()。

  • this()：调用有参构造的时候，首先会去调用无参构造，创建一个默认大小为 0 的集合。

  • addAll()：底层就是将传过来的集合类型转换成 Object[]数组，然后依次遍历数组中的每个元素，添加到链表上。

源码：

// 将集合类型保存到链表中
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
    // 底层调用了重载后的 addAll(int index, Collection<? extends E> c)  
    return this.addAll(this.size, c);  // 等同于 return this.addAll(0, c);
}

// addAll() 最终实现类
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
    	// 索引越界检查，条件为：index >= 0 && index <= this.size
    	// 满足条件返回true，否则报错
        this.checkPositionIndex(index);
        Object[] a = c.toArray();  // 转换成 Object[]
        int numNew = a.length;
    	// 非空校验
        if (numNew == 0) {
            return false;
        } else {
            // 核心逻辑！！
            // pred 可以理解为记录节点位置的指针。每有一个新节点就会更新 pred 的值
            // succ 是一个标记节点，循环结束后会判断当前 succ 是否为 null
            Node pred;  
            Node succ;
            if (index == this.size) {  
                // 调用有参构造方法时，size = 0 并且 index = 0，所以会进入下方的逻辑
                succ = null;
                pred = this.last;  // 此时，链表为空，所以 last = null。可以转换成 pred = null
            } else {
                succ = this.node(index);
                pred = succ.prev;
            }

            Object[] var7 = a;
            int var8 = a.length;
			// 循环数组，依次往链表中添加元素
            for(int var9 = 0; var9 < var8; ++var9) {
                Object o = var7[var9];  // 取出指定索引的值
                E e = o;
                // LinkedList 底层是由双向链表实现的
                // 此语句的意思为：创建一个前缀指针指向 pred，值为 e，后缀指针指向 null 的新节点
                Node<E> newNode = new Node(pred, e, (Node)null);
                if (pred == null) {  // 第一次循环时 pred 肯定为 null，进入下方逻辑
                    // 表明当前 newNode 是链表的第一个节点
                    // 设置 LinkedList 的 first 指针指向此新节点
                    this.first = newNode;  
                } else {  // 除了第一次进入循环，后面的每次循环都会进下方逻辑
                    // 依次往链表中添加元素 1 -> 2 -> 3
                    pred.next = newNode;
                }
				// 更新 pred 的值
                pred = newNode;
            }

            if (succ == null) {
                // 此时的 pred 节点是当前链表的最后一个值
                // 设置 LinkedList 的 last 指针指向此循环结束后的最后一个 pred 节点
                this.last = pred;  
            } else {
                pred.next = succ;
                succ.prev = pred;
            }
			
            // 无关操作  更新链表中的节点数
            // size 是链表所用来记录当前节点值的
            // modCount 是 List 集合存储元素个数的值
            // 因为 LinkedList 继承了 AbstractSequentialList，所以 List 的操作它也都有
            this.size += numNew;
            ++this.modCount;
            return true;
        }
    }

四、插入元素

LinkedList 除了实现了 List 接口相关方法，还实现了 Deque 接口的很多方法，所以我们有很多种方式插入元素。

下面我将以 List 、Queue、Stack这三种数据结构分开带大家阅读源码。

可能会有朋友好奇，Stack是什么？Stack是栈这种数据结构，他的特点是只有一端能进出，这就导致栈的特点是先进后出，这和队列Queue的先进后出恰好相反

那朋友们又要好奇了，LinkedList在他的类方法定义上也没看到一个叫 Stack的接口啊，它怎么能当作栈呢？

大家要记住，数据结构底层都是相通的。栈有多种实现方式，可以通过单向链表实现栈、数组实现栈、双向链表实现栈，而 LinkedList正是通过双向链表来实现了对栈的操作

/**
 * 为了让大家能够明白上面那句话的意思，我用单向链表实现了一个栈，各位可以看看代码
 * @Description 单向链表实现栈
 * @Author Mr.Zhang
 * @Date 2024/8/2 14:40
 * @Version 1.0
 */
public class LinkedListStack<E> implements Iterable<E> {
    // 容量
    private int capacity;
    private int size;  // 栈中元素的个数
    // 头指针指向哨兵节点
    private Node<E> head = new Node<>(null, null);

    public LinkedListStack(int capacity) {
        this.capacity = capacity;
    }
	
    static class Node<E> {
        E value;
        Node<E> next;

        public Node(E value, Node<E> next) {
            this.value = value;
            this.next = next;
        }
    }

    /**
     * 向栈顶压入元素
     *
     * @param value 待压入值
     * @return 压入成功返回 true，否则返回 false
     */
    @Override
    public boolean push(E value) {
        if (isFull()) {
            return false;
        }
        head.next = new Node<E>(value, head.next);
        size++;
        return true;
    }

    /**
     * 从栈顶弹出元素
     *
     * @return 栈非空返回栈顶元素，栈为空返回 null
     */
    @Override
    public E pop() {
        if (isEmpty()) {
            return null;
        }
        E value = head.next.value;
        head.next = head.next.next;
        size--;
        return value;
    }

    /**
     * 返回栈顶元素，不弹出
     *
     * @return 栈非空返回栈顶元素，栈为空返回 null
     */
    @Override
    public E peek() {
        if (isEmpty()) {
            return null;
        }
        return head.next.value;
    }

    /**
     * 检查栈是否为空
     *
     * @return  空返回 true，否则返回 false
     */
    @Override
    public boolean isEmpty() {
        return head.next == null;
    }

    /**
     * 检查栈是否已满
     *
     * @return 满了返回 true，否则返回 false
     */
    @Override
    public boolean isFull() {
        return capacity == size;
    }

    /**
    * 方便我用 增强for循环 测试
    */
    @Override
    public Iterator<E> iterator() {
        return new Iterator<E>() {
            Node<E> p = head.next;

            @Override
            public boolean hasNext() {
                return p != null;
            }

            @Override
            public E next() {
                E value = p.value;
                p = p.next;
                return value;
            }
        };
    }
}
  • List
    • add(E e) ： 用于在 LinkedList 的尾部插入元素，即将新元素作为链表的最后一个元素，时间复杂度为 O(1)。
    • addAll(int index, Collection<? extends E> c)：用于通过给定的集合类型数据创建一个LinkedList。 (此源码已经在上面了，下方不重复解读)
    • add(int index, E element)：用于在指定位置插入元素。这种插入方式需要先移动到指定位置，再修改指定节点的指针完成插入/删除，因此需要移动平均 n/2 个元素，时间复杂度为 O(n)。

源码：

// 在 LinkedList 尾部添加元素
public boolean add(E e) {
    this.linkLast(e);
    return true;
}

// 向 LinkedList 尾部添加元素的底层实现方法
void linkLast(E e) {
    Node<E> l = this.last;  // 获取最后一个节点
    // 根据传入的 e 创建新节点，新节点的前一个指针指向之前链表的最后一个节点
    Node<E> newNode = new Node(l, e, (Node)null);  
    this.last = newNode;  // 更新新节点的值
    if (l == null) {  // 判断如果当前链表为空
        this.first = newNode;  // 则将 LinkedList 的 last 指针也指向这个新节点
    } else {
        l.next = newNode; // 更新 l 的 next 指向的节点
    }

    // 无关操作  更新链表中的节点数
    ++this.size;
    ++this.modCount;
}

// 根据指定的索引插入元素
public void add(int index, E element) {
    // 索引越界检查，条件为：index >= 0 && index <= this.size
    // 满足条件返回true，否则报错
    this.checkPositionIndex(index);
    if (index == this.size) {  // 如果传递过来的 index 正好等于数组长度，则证明是向链表最后添加元素
        this.linkLast(element);
    } else {
        // 核心代码
        this.linkBefore(element, this.node(index));  // this.node(index)：找到待插入索引目前存在的节点元素
    }
}

// 根据指定的索引插入元素的底层实现方法
void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
    // 定义一个节点元素保存 succ 的 prev，也就是它的前一节点信息
    Node<E> pred = succ.prev;
    // 初始化节点，并指明前驱和后继节点
    Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
    // 将 succ 节点前驱引用 prev 指向新节点
    succ.prev = newNode;
    // 判断前驱节点是否为空，为空表示 succ 是第一个节点
    if (pred == null) {
        this.first = newNode;  // 当前 newNode 节点就是新的首节点，所以要让 first 指向 newNode
    } else {
        pred.next = newNode;
    }
	// 无关操作  更新链表中的节点数
    ++this.size;
    ++this.modCount;
}

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