文章目录
- 简介
- 继承体系
- 源码分析
- 主要属性
- Node节点
- 构造方法
- 添加元素
- 删除元素
- 栈
- 总结
- 经典面试题
简介
上篇文章我们详细分析ArrayList的使用及源码：【JAVA集合篇】ArrayList源码详解 ，本章我们来聊聊LinkedList的使用及源码，LinkedList和ArrayList数据结构是完全不一样的，ArrayList 底层是数组的结构，而 LinkedList 的底层则是链表的结构， 它可以进行高效的插入和移除的操作，它基于的是一个双向链表的结构。
LinkedList的整体结构图
从图中也能看出，LinkedList 有好多的Node，并且还有first和last这两个变量保存头部和尾部节点的信息；还有就是它不是一个循环的双向链表，因为它前后都是null，这个也是我们需要注意的地方。
继承体系
public class LinkedList<E>
extends AbstractSequentialList<E>
implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable
{...}
通过继承体系，我们可以看到 LinkedList 不仅实现了List接口，还实现了Queue和Deque接口，所以它既能作为 List 使用，也能作为双端队列使用，当然也可以作为栈使用。
源码分析
主要属性
// 元素个数
transient int size = 0;
// 链表首节点
transient Node<E> first;
// 链表尾节点
transient Node<E> last;
Node节点
private static class Node<E> {
//值
E item;
//后继 指向下一个的引用
Node<E> next;
//前驱 指向前一个的引用
Node<E> prev;
Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
this.item = element;
this.next = next;
this.prev = prev;
}
}
构造方法
public LinkedList() {
}
public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
this();
//将集合C中的所有的元素都插入到链表中
addAll(c);
}
添加元素
作为一个双端队列，添加元素主要有两种，一种是在队列尾部添加元素，一种是在队列首部添加元素，这两种形式在LinkedList中主要是通过下面两个方法来实现的。
// 从队列首添加元素
private void linkFirst(E e) {
// 首节点
final Node<E> f = first;
// 创建新节点，新节点的next是首节点
final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
// 让新节点作为新的首节点
first = newNode;
// 判断是不是第一个添加的元素
// 如果是就把last也置为新节点
// 否则把原首节点的prev指针置为新节点
if (f == null)
last = newNode;
else
f.prev = newNode;
// 元素个数加1
size++;
// 修改次数加1，说明这是一个支持fail-fast的集合
modCount++;
}
// 从队列尾添加元素
void linkLast(E e) {
// 队列尾节点
final Node<E> l = last;
// 创建新节点，新节点的prev是尾节点
final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
// 让新节点成为新的尾节点
last = newNode;
// 判断是不是第一个添加的元素
// 如果是就把first也置为新节点
// 否则把原尾节点的next指针置为新节点
if (l == null)
first = newNode;
else
l.next = newNode;
// 元素个数加1
size++;
// 修改次数加1
modCount++;
}
public void addFirst(E e) {
linkFirst(e);
}
public void addLast(E e) {
linkLast(e);
}
// 作为无界队列，添加元素总是会成功的
public boolean offerFirst(E e) {
addFirst(e);
return true;
}
public boolean offerLast(E e) {
addLast(e);
return true;
}
上面是作为双端队列来看，它的添加元素分为首尾添加元素，作为List，是要支持在中间添加元素的，主要是通过下面这个方法实现的。
// 在节点succ之前添加元素
void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
// succ是待添加节点的后继节点
// 找到待添加节点的前置节点
final Node<E> pred = succ.prev;
// 在其前置节点和后继节点之间创建一个新节点
final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
// 修改后继节点的前置指针指向新节点
succ.prev = newNode;
// 判断前置节点是否为空
// 如果为空，说明是第一个添加的元素，修改first指针
// 否则修改前置节点的next为新节点
if (pred == null)
first = newNode;
else
pred.next = newNode;
// 修改元素个数
size++;
// 修改次数加1
modCount++;
}
// 寻找index位置的节点
Node<E> node(int index) {
// 因为是双链表
// 所以根据index是在前半段还是后半段决定从前遍历还是从后遍历
// 这样index在后半段的时候可以少遍历一半的元素
if (index < (size >> 1)) {
// 如果是在前半段
// 就从前遍历
Node<E> x = first;
for (int i = 0; i < index; i++)
x = x.next;
return x;
} else {
// 如果是在后半段
// 就从后遍历
Node<E> x = last;
for (int i = size - 1; i > index; i--)
x = x.prev;
return x;
}
}
// 在指定index位置处添加元素
public void add(int index, E element) {
// 判断是否越界
checkPositionIndex(index);
// 如果index是在队列尾节点之后的一个位置
// 把新节点直接添加到尾节点之后
// 否则调用linkBefore()方法在中间添加节点
if (index == size)
linkLast(element);
else
linkBefore(element, node(index));
}
在中间添加元素的方法也很简单，典型的双链表在中间添加元素的方法。
添加元素的三种方式大致如下图所示：
在队列首尾添加元素很高效，时间复杂度为O(1)。
在中间添加元素比较低效，首先要先找到插入位置的节点，再修改前后节点的指针，时间复杂度为O(n)。
删除元素
作为双端队列，删除元素也有两种方式，一种是队列首删除元素，一种是队列尾删除元素。
作为List，又要支持中间删除元素，所以删除元素一个有三个方法，分别如下。
// 删除首节点
private E unlinkFirst(Node<E> f) {
// 首节点的元素值
final E element = f.item;
// 首节点的next指针
final Node<E> next = f.next;
// 添加首节点的内容，协助GC
f.item = null;
f.next = null; // help GC
// 把首节点的next作为新的首节点
first = next;
// 如果只有一个元素，删除了，把last也置为空
// 否则把next的前置指针置为空
if (next == null)
last = null;
else
next.prev = null;
// 元素个数减1
size--;
// 修改次数加1
modCount++;
// 返回删除的元素
return element;
}
// 删除尾节点
private E unlinkLast(Node<E> l) {
// 尾节点的元素值
final E element = l.item;
// 尾节点的前置指针
final Node<E> prev = l.prev;
// 清空尾节点的内容，协助GC
l.item = null;
l.prev = null; // help GC
// 让前置节点成为新的尾节点
last = prev;
// 如果只有一个元素，删除了把first置为空
// 否则把前置节点的next置为空
if (prev == null)
first = null;
else
prev.next = null;
// 元素个数减1
size--;
// 修改次数加1
modCount++;
// 返回删除的元素
return element;
}
// 删除指定节点x
E unlink(Node<E> x) {
// x的元素值
final E element = x.item;
// x的前置节点
final Node<E> next = x.next;
// x的后置节点
final Node<E> prev = x.prev;
// 如果前置节点为空
// 说明是首节点，让first指向x的后置节点
// 否则修改前置节点的next为x的后置节点
if (prev == null) {
first = next;
} else {
prev.next = next;
x.prev = null;
}
// 如果后置节点为空
// 说明是尾节点，让last指向x的前置节点
// 否则修改后置节点的prev为x的前置节点
if (next == null) {
last = prev;
} else {
next.prev = prev;
x.next = null;
}
// 清空x的元素值，协助GC
x.item = null;
// 元素个数减1
size--;
// 修改次数加1
modCount++;
// 返回删除的元素
return element;
}
// remove的时候如果没有元素抛出异常
public E removeFirst() {
final Node<E> f = first;
if (f == null)
throw new NoSuchElementException();
return unlinkFirst(f);
}
// remove的时候如果没有元素抛出异常
public E removeLast() {
final Node<E> l = last;
if (l == null)
throw new NoSuchElementException();
return unlinkLast(l);
}
// poll的时候如果没有元素返回null
public E pollFirst() {
final Node<E> f = first;
return (f == null) ? null : unlinkFirst(f);
}
// poll的时候如果没有元素返回null
public E pollLast() {
final Node<E> l = last;
return (l == null) ? null : unlinkLast(l);
}
// 删除中间节点
public E remove(int index) {
// 检查是否越界
checkElementIndex(index);
// 删除指定index位置的节点
return unlink(node(index));
}
删除元素的三种方法都是典型的双链表删除元素的方法，大致流程如下图所示。
[
在队列首尾删除元素很高效，时间复杂度为O(1)。
在中间删除元素比较低效，首先要找到删除位置的节点，再修改前后指针，时间复杂度为O(n)。
栈
前面我们说了，LinkedList是双端队列，还记得双端队列可以作为栈使用吗？
/**
* 利用LinkedList来模拟栈
* 栈的特点：先进后出
*/
public class Test {
private LinkedList<String> linkList = new LinkedList<String>();
// 压栈
public void push(String str){
linkList.addFirst(str);
}
// 出栈
public String pop(){
return linkList.removeFirst();
}
// 查看
public String peek(){
return linkList.peek();
}
// 判断是否为空
public boolean isEmpty(){
return linkList.isEmpty();
}
}
class Test1 {
public static void main(String[] args) {
// 测试栈
Test test = new Test();
test.push("我是第1个进去的");
test.push("我是第2个进去的");
test.push("我是第3个进去的");
test.push("我是第4个进去的");
test.push("我是第5个进去的");
// 取出
while (!test.isEmpty()){
String pop = test.pop();
System.out.println(pop);
}
// 打印结果
/*我是第5个进去的
我是第4个进去的
我是第3个进去的
我是第2个进去的
我是第1个进去的*/
}
}
栈的特性是LIFO(Last In First Out)，所以作为栈使用也很简单，添加删除元素都只操作队列首节点即可。
总结
（1）LinkedList是一个以双链表实现的List，因此不存在容量不足的问题，所以没有扩容的方法。
（2）LinkedList还是一个双端队列，具有队列、双端队列、栈的特性。
（3）LinkedList在队列首尾添加、删除元素非常高效，时间复杂度为O(1)。
（4）LinkedList在中间添加、删除元素比较低效，时间复杂度为O(n)。
（5）LinkedList不支持随机访问，所以访问非队列首尾的元素比较低效。
（6）LinkedList在功能上等于ArrayList + ArrayDeque。
（7）LinkedList是非线程安全的。
（8）LinkedList能存储null值。
经典面试题
谈谈ArrayList和LinkedList的区别。
可以分两部分答：一个是数组与链表底层实现的不同，另一个是答ArrayList和LinkedList的实现细节。
-
ArrayList的底层是数组，LinkedList的底层是双向链表。
-
数组拥有O(1)的查询效率，可以通过下标直接定位元素；链表在查询元素的时候只能通过遍历的方式查询，效率比数组低。
-
数组增删元素的效率比较低，通常要伴随拷贝数组的操作；链表增删元素的效率很高，只需要调整对应位置的指针即可。
以上是数组和链表的通俗对比，在日常的使用中，两者都能很好地在自己的适用场景发挥作用。
我们常常用ArrayList代替数组，因为封装了许多易用的api，而且它内部实现了自动扩容机制，由于它内部维护了一个当前容量的指针size，直接往ArrayList中添加元素的时间复杂度是O(1)的，使用非常方便。而LinkedList常常被用作Queue队列的实现类，由于底层是双向链表，能够轻松地提供先入先出的操作。
