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前言
大家好，我是小彭。
在上一篇文章里，我们聊到了基于动态数组 ArrayList 线性表，今天我们来讨论一个基于链表的线性表 —— LinkedList。
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思维导图：
1. LinkedList 的特点
1.1 说一下 ArrayList 和 LinkedList 的区别？
- 1、数据结构： 在数据结构上，ArrayList 和 LinkedList 都是 “线性表”，都继承于 Java 的
List接口。另外 LinkedList 还实现了 Java 的Deque接口，是基于链表的栈或队列，与之对应的是ArrayDeque基于数组的栈或队列； - 2、线程安全： ArrayList 和 LinkedList 都不考虑线程同步，不保证线程安全；
- 3、底层实现： 在底层实现上，ArrayList 是基于动态数组的，而 LinkedList 是基于双向链表的。事实上，它们很多特性的区别都是因为底层实现不同引起的。比如说：
- 在遍历速度上： 数组是一块连续内存空间，基于局部性原理能够更好地命中 CPU 缓存行，而链表是离散的内存空间对缓存行不友好；
- 在访问速度上： 数组是一块连续内存空间，支持 O(1) 时间复杂度随机访问，而链表需要 O(n) 时间复杂度查找元素；
- 在添加和删除操作上： 如果是在数组的末尾操作只需要 O(1) 时间复杂度，但在数组中间操作需要搬运元素，所以需要 O(n)时间复杂度，而链表的删除操作本身只是修改引用指向，只需要 O(1) 时间复杂度（如果考虑查询被删除节点的时间，复杂度分析上依然是 O(n)，在工程分析上还是比数组快）；
- 额外内存消耗上： ArrayList 在数组的尾部增加了闲置位置，而 LinkedList 在节点上增加了前驱和后继指针。
1.2 LinkedList 的多面人生
在数据结构上，LinkedList 不仅实现了与 ArrayList 相同的 List 接口，还实现了 Deque 接口（继承于 Queue 接口）。
Deque 接口表示一个双端队列（Double Ended Queue），允许在队列的首尾两端操作，所以既能实现队列行为，也能实现栈行为。
Queue 接口：
| 拒绝策略 | 抛异常 | 返回特殊值 |
|---|---|---|
| 入队（队尾） | add(e) | offer(e) |
| 出队（队头） | remove() | poll() |
| 观察（队头） | element() | peek() |
Queue 的 API 可以分为 2 类，区别在于方法的拒绝策略上：
-
抛异常：
- 向空队列取数据，会抛出 NoSuchElementException 异常；
- 向容量满的队列加数据，会抛出 IllegalStateException 异常。
-
返回特殊值：
- 向空队列取数据，会返回 null；
- 向容量满的队列加数据，会返回 false。
Deque 接口：
Java 没有提供标准的栈接口（很好奇为什么不提供），而是放在 Deque 接口中：
| 拒绝策略 | 抛异常 | 等价于 |
|---|---|---|
| 入栈 | push(e) | addFirst(e) |
| 出栈 | pop() | removeFirst() |
| 观察（栈顶） | peek() | peekFirst() |
除了标准的队列和栈行为，Deque 接口还提供了 12 个在两端操作的方法：
| 拒绝策略 | 抛异常 | 返回值 |
|---|---|---|
| 增加 | addFirst(e)/ addLast(e) | offerFirst(e)/ offerLast(e) |
| 删除 | removeFirst()/ removeLast() | pollFirst()/ pollLast() |
| 观察 | getFirst()/ getLast() | peekFirst()/ peekLast() |
2. LinkedList 源码分析
这一节，我们来分析 LinkedList 中主要流程的源码。
2.1 LinkedList 的属性
- LinkedList 底层是一个 Node 双向链表，Node 节点中会持有数据 E 以及 prev 与next 两个指针；
- LinkedList 用
first和last指针指向链表的头尾指针。
LinkedList 的属性很好理解的，不出意外的话又有小朋友出来举手提问了：
- 🙋🏻♀️ 疑问 1：为什么字段都不声明
private关键字？
这个问题直接回答吧。我的理解是：因为内部类在编译后会生成独立的 Class 文件，如果外部类的字段是 private 类型，那么编译器就需要通过方法调用，而 non-private 字段就可以直接访问字段。
- 🙋🏻♀️ 疑问 2：为什么字段都声明
transient关键字？
这个问题我们在分析源码的过程中回答。
疑问比 ArrayList 少很多，LinkedList 真香（还是别高兴得太早吧）。
public class LinkedList<E> extends AbstractSequentialList<E> implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable { // 疑问 1：为什么字段都不声明 private 关键字？ // 疑问 2：为什么字段都声明 transient 关键字？ // 元素个数 transient int size = 0; // 头指针 transient Node<E> first; // 尾指针 transient Node<E> last; // 链表节点 private static class Node<E> { // 节点数据 // （类型擦除后：Object item;） E item; // 前驱指针 Node<E> next; // 后继指针 Node<E> prev; Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) { this.item = element; this.next = next; this.prev = prev; } } } 2.2 LinkedList 的构造方法
LinkedList 有 2 个构造方法：
- 1、无参构造方法： no-op；
- 2、带集合的构造： 在链表末尾添加整个集合，内部调用了 addAll 方法将整个集合添加到数组的末尾。
// 无参构造方法 public LinkedList() { } // 带集合的构造方法 public LinkedList(Collection<? extends E> c) { this(); addAll(c); } // 在链表尾部添加集合 public boolean addAll(Collection<? extends E> c) { // 索引为 size，等于在链表尾部添加 return addAll(size, c); } 2.3 LinkedList 的添加方法
LinkedList 提供了非常多的 addXXX 方法，内部都是调用一系列 linkFirst、linkLast 或 linkBefore 完成的。如果在链表中间添加节点时，会用到 node(index) 方法查询指定位置的节点。
其实，我们会发现所有添加的逻辑都可以用 6 个步骤概括：
- 步骤 1： 找到插入位置的后继节点（在头部插入就是 first，在尾部插入就是 null）；
- 步骤 2： 构造新节点；
- 步骤 3： 将新节点的 prev 指针指向前驱节点（在头部插入就是 null，在尾部插入就是 last）；
- 步骤 4： 将新节点的 next 指针指向后继节点（在头部插入就是 first，在尾部插入就是 null）；
- 步骤 5： 将前驱节点的 next 指针指向新节点（在头部插入没有这个步骤）；
- 步骤 6： 将后继节点的 prev 指针指向新节点（在尾部插入没有这个步骤）。
分析一下添加方法的时间复杂度，区分在链表两端或中间添加元素的情况共：
- 如果是在链表首尾两端添加： 只需要 O(1) 时间复杂度；
- 如果在链表中间添加： 由于需要定位到添加位置的前驱和后继节点，所以需要 O(n) 时间复杂度。如果事先已经获得了添加位置的节点，就只需要 O(1) 时间复杂度。
添加方法
public void addFirst(E e) { linkFirst(e); } public void addLast(E e) { linkLast(e); } public boolean add(E e) { linkLast(e); return true; } public void add(int index, E element) { checkPositionIndex(index); if (index == size) // 在尾部添加 linkLast(element); else // 在指定位置添加 linkBefore(element, node(index)); } public boolean addAll(Collection<? extends E> c) { return addAll(size, c); } // 在链表头部添加 private void linkFirst(E e) { // 1. 找到插入位置的后继节点（first） final Node<E> f = first; // 2. 构造新节点 // 3. 将新节点的 prev 指针指向前驱节点（null） // 4. 将新节点的 next 指针指向后继节点（f） // 5. 将前驱节点的 next 指针指向新节点（前驱节点是 null，所以没有这个步骤） final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f); // 修改 first 指针 first = newNode; if (f == null) // f 为 null 说明首个添加的元素，需要修改 last 指针 last = newNode; else // 6. 将后继节点的 prev 指针指向新节点 f.prev = newNode; size++; modCount++; } // 在链表尾部添加 void linkLast(E e) { final Node<E> l = last; // 1. 找到插入位置的后继节点（null） // 2. 构造新节点 // 3. 将新节点的 prev 指针指向前驱节点（l） // 4. 将新节点的 next 指针指向后继节点（null） final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null); // 修改 last 指针 last = newNode; if (l == null) // l 为 null 说明首个添加的元素，需要修改 first 指针 first = newNode; else // 5. 将前驱节点的 next 指针指向新节点 l.next = newNode; // 6. 将后继节点的 prev 指针指向新节点（后继节点是 null，所以没有这个步骤） size++; modCount++; } // 在指定节点前添加 // 1. 找到插入位置的后继节点 void linkBefore(E e, Node<E> succ) { final Node<E> pred = succ.prev; // 2. 构造新节点 // 3. 将新节点的 prev 指针指向前驱节点（pred） // 4. 将新节点的 next 指针指向后继节点（succ） final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ); succ.prev = newNode; if (pred == null) first = newNode; else // 5. 将前驱节点的 next 指针指向新节点 pred.next = newNode; size++; modCount++; } // 在指定位置添加整个集合元素 // index 为 0：在链表头部添加 // index 为 size：在链表尾部添加 public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) { checkPositionIndex(index); // 事实上，c.toArray() 的实际类型不一定是 Object[]，有可能是 String[] 等 // 不过，我们是通过 Node中的item 承接的，所以不用担心 ArrayList 中的 ArrayStoreException 问题 Object[] a = c.toArray(); // 添加的数组为空，跳过 int numNew = a.length; if (numNew == 0) return false; // 1. 找到插入位置的后继节点 // pred：插入位置的前驱节点 // succ：插入位置的后继节点 Node<E> pred, succ; if (index == size) { succ = null; pred = last; } else { // 找到 index 位置原本的节点，插入后变成后继节点 succ = node(index); pred = succ.prev; } // 插入集合元素 for (Object o : a) { E e = (E) o; // 2. 构造新节点 // 3. 将新节点的 prev 指针指向前驱节点 Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, null); if (pred == null) // pred 为 null 说明是在头部插入，需要修改 first 指针 first = newNode; else // 5. 将前驱节点的 next 指针指向新节点 pred.next = newNode; // 修改前驱指针 pred = newNode; } if (succ == null) { // succ 为 null 说明是在尾部插入，需要修改 last 指针 last = pred; } else { // 4. 将新节点的 next 指针指向后继节点 pred.next = succ; // 6. 将后继节点的 prev 指针指向新节点 succ.prev = pred; } // 数量增加 numNew size += numNew; modCount++; return true; } // 将 LinkedList 转化为 Object 数组 public Object[] toArray() { Object[] result = new Object[size]; int i = 0; for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) result[i++] = x.item; return result; } 在链表中间添加节点时，会用到 node(index) 方法查询指定位置的节点。可以看到维持 first 和 last 头尾节点的作用又发挥出来了：
- 如果索引位置小于 size/2，则从头节点开始找；
- 如果索引位置大于 size/2，则从尾节点开始找。
虽然，我们从复杂度分析的角度看，从哪个方向查询是没有区别的，时间复杂度都是 O(n)。但从工程分析的角度看还是有区别的，从更靠近目标节点的位置开始查询，实际执行的时间会更短。
查询指定位置节点
// 寻找指定位置的节点，时间复杂度：O(n) Node<E> node(int index) { if (index < (size >> 1)) { // 如果索引位置小于 size/2，则从头节点开始找 Node<E> x = first; for (int i = 0; i < index; i++) x = x.next; return x; } else { // 如果索引位置大于 size/2，则从尾节点开始找 Node<E> x = last; for (int i = size - 1; i > index; i--) x = x.prev; return x; } } LinkedList 的删除方法其实就是添加方法的逆运算，我们就不重复分析了。
// 删除头部元素 public E removeFirst() { final Node<E> f = first; if (f == null) throw new NoSuchElementException(); return unlinkFirst(f); } // 删除尾部元素 public E removeLast() { final Node<E> l = last; if (l == null) throw new NoSuchElementException(); return unlinkLast(l); } // 删除指定元素 public E remove(int index) { checkElementIndex(index); return unlink(node(index)); } 2.4 LinkedList 的迭代器
Java 的 foreach 是语法糖，本质上也是采用 iterator 的方式。由于 LinkedList 本身就是双向的，所以 LinkedList 只提供了 1 个迭代器：
- ListIterator
listIterator()： 双向迭代器
与其他容器类一样，LinkedList 的迭代器中都有 fail-fast 机制。如果在迭代的过程中发现 expectedModCount 变化，说明数据被修改，此时就会提前抛出 ConcurrentModificationException 异常（当然也不一定是被其他线程修改）。
public ListIterator<E> listIterator(int index) { checkPositionIndex(index); return new ListItr(index); } // 非静态内部类 private class ListItr implements ListIterator<E> { private Node<E> lastReturned; private Node<E> next; private int nextIndex; // 创建迭代器时会记录外部类的 modCount private int expectedModCount = modCount; ListItr(int index) { next = (index == size) ? null : node(index); nextIndex = index; } public E next() { // 更新 expectedModCount checkForComodification(); ... } ... } 2.5 LinkedList 的序列化过程
- 🙋🏻♀️ 疑问 2：为什么字段都声明
transient关键字？
LinkedList 重写了 JDK 序列化的逻辑，不序列化链表节点，而只是序列化链表节点中的有效数据，这样序列化产物的大小就有所降低。在反序列时，只需要按照对象顺序依次添加到链表的末尾，就能恢复链表的顺序。
// 序列化和反序列化只考虑有效数据 // 序列化过程 private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s) throws java.io.IOException { // Write out any hidden serialization magic s.defaultWriteObject(); // 写入链表长度 s.writeInt(size); // 写入节点上的有效数据 for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) s.writeObject(x.item); } // 反序列化过程 private void readObject(java.io.ObjectInputStream s) throws java.io.IOException, ClassNotFoundException { // Read in any hidden serialization magic s.defaultReadObject(); // 读取链表长度 int size = s.readInt(); // 读取有效元素并用 linkLast 添加到链表尾部 for (int i = 0; i < size; i++) linkLast((E)s.readObject()); } 2.6 LinkedList 的 clone() 过程
LinkedList 中的 first 和 last 指针是引用类型，因此在 clone() 中需要实现深拷贝。否则，克隆后两个 LinkedList 对象会相互影响：
private LinkedList<E> superClone() { try { return (LinkedList<E>) super.clone(); } catch (CloneNotSupportedException e) { throw new InternalError(e); } } public Object clone() { LinkedList<E> clone = superClone(); // Put clone into "virgin" state clone.first = clone.last = null; clone.size = 0; clone.modCount = 0; // 将原链表中的数据依次添加到新立案表中 for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) clone.add(x.item); return clone; } 2.7 LinkedList 如何实现线程安全？
有 5 种方式：
- 方法 1 - 使用 Collections.synchronizedList 包装类： 原理也是在所有方法上增加 synchronized 关键字；
- 方法 2 - 使用 ConcurrentLinkedQueue 容器类： 基于 CAS 无锁实现的线程安全队列；
- 方法 3 - 使用 LinkedBlockingQueue 容器： 基于加锁的阻塞队列，适合于带阻塞操作的生产者消费者模型；
- 方法 4 - 使用 LinkedBlockingDeque 容器： 基于加锁的阻塞双端队列，适合于带阻塞操作的生产者消费者模型；
- 方法 5 - 使用 ConcurrentLinkedDeque 容器类： 基于 CAS 无锁实现的线程安全双端队列。
3. 总结
-
1、LinkedList 是基于链表的线性表，同时具备 List、Queue 和 Stack 的行为；
-
2、在查询指定位置的节点时，如果索引位置小于 size/2，则从头节点开始找，否则从尾节点开始找；
-
3、LinkedList 重写了序列化过程，只处理链表节点中有效的元素；
-
4、LinkedList 和 ArrayList 都不考虑线程同步，不保证线程安全。
在上一篇文章里，我们提到了 List 的数组实现 ArrayList，而 LinkedList 不仅是 List 的链表实现，同时还是 Queue 和 Stack 的链表实现。那么，在 Java 中的 Queue 和 Stack 的数组实现是什么呢，这个我们在下篇文章讨论，请关注。
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