面试必备:LinkedList源码解析(JDK8)

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概述

本篇是Java集合类解析的第二篇,上一篇[面试必备:ArrayList源码解析(JDK8)]里,我们唠了ArrayList,今儿来继续说LinkedList.面试中,这兄弟俩也经常会拿来比较。

它们两可以说是List接口的两种不同的实现,ArrayList增删效率低,但是改查效率高
LinkedList正好相反,增删由于不需要移动底层数组数据,其底层是链表实现的,只需要修改链表节点指针,所以效率较高
改和查,都需要先定位到目标节点,所以效率较低

开篇前,再说一遍Collection.toArray();
这个方法很重要,不管是ArrayListLinkedList 在批量add的时候,都会先转化成数组去做。 因为数组可以用for循环直接花式遍历。比较方便 高效

套路依旧,
本文将从几个常用方法下手,来阅读LinkedList的源码。
按照从构造方法->常用API(增、删、改、查)的顺序来阅读源码,并会讲解阅读方法中涉及的一些变量的意义。了解LinkedList的特点、适用场景。

如果本文中有不正确的结论、说法,请大家提出和我讨论,共同进步,谢谢。


概述

概括的说,LinkedList线程不安全的,允许元素为null双向链表
其底层数据结构是链表,它实现List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable接口,它实现了Deque<E>,所以它也可以作为一个双端队列。和ArrayList比,没有实现RandomAccess所以其以下标,随机访问元素速度较慢

因其底层数据结构是链表,所以可想而知,它的增删只需要移动指针即可,故时间效率较高不需要批量扩容也不需要预留空间,所以空间效率ArrayList

缺点就是需要随机访问元素时,时间效率很低,虽然底层在根据下标查询Node的时候,会根据index判断目标Node在前半段还是后半段,然后决定是顺序还是逆序查询以提升时间效率。不过随着n的增大,总体时间效率依然很低。

当每次增、删时,都会修改modCount。

构造方法

    //集合元素数量
    transient int size = 0;
    //链表头节点
    transient Node<E> first;
    //链表尾节点
    transient Node<E> last;
    //啥都不干
    public LinkedList() {
    }
    //调用     public boolean addAll(Collection<? extends E> c)  将集合c所有元素插入链表中
    public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
        this();
        addAll(c);
    }

构造方法基本没干啥。

节点Node结构:

    private static class Node<E> {
        E item;//元素值
        Node<E> next;//后置节点
        Node<E> prev;//前置节点

        Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
            this.item = element;
            this.next = next;
            this.prev = prev;
        }
    }

可以看出,这是一个双向链表。

1 addAll

接上文,先说addAll

//addAll ,在尾部批量增加
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
    return addAll(size, c);//以size为插入下标,插入集合c中所有元素
}
//以index为插入下标,插入集合c中所有元素
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
    checkPositionIndex(index);//检查越界 [0,size] 闭区间

    Object[] a = c.toArray();//拿到目标集合数组
    int numNew = a.length;//新增元素的数量
    if (numNew == 0)//如果新增元素数量为0,则不增加,并返回false
        return false;

    Node<E> pred, succ;  //index节点的前置节点,后置节点
    if (index == size) { //在链表尾部追加数据
        succ = null;  //size节点(队尾)的后置节点一定是null
        pred = last;//前置节点是队尾
    } else {
        succ = node(index);//取出index节点,作为后置节点
        pred = succ.prev; //前置节点是,index节点的前一个节点
    }
    //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。对比ArrayList是通过System.arraycopy完成批量增加的
    for (Object o : a) {//遍历要添加的节点。
        @SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) o;
        Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, null);//以前置节点 和 元素值e,构建new一个新节点,
        if (pred == null) //如果前置节点是空,说明是头结点
            first = newNode;
        else//否则 前置节点的后置节点设置问新节点
            pred.next = newNode;
        pred = newNode;//步进,当前的节点为前置节点了,为下次添加节点做准备
    }

    if (succ == null) {//循环结束后,判断,如果后置节点是null。 说明此时是在队尾append的。
        last = pred; //则设置尾节点
    } else {
        pred.next = succ; // 否则是在队中插入的节点 ,更新前置节点 后置节点
        succ.prev = pred; //更新后置节点的前置节点
    }

    size += numNew;  // 修改数量size
    modCount++;  //修改modCount
    return true;
}
//根据index 查询出Node,
Node<E> node(int index) {
    // assert isElementIndex(index);
//通过下标获取某个node 的时候,(增、查 ),会根据index处于前半段还是后半段 进行一个折半,以提升查询效率
    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;
    }
}

private void checkPositionIndex(int index) {
    if (!isPositionIndex(index))
        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
private boolean isPositionIndex(int index) {
    return index >= 0 && index <= size;  //插入时的检查,下标可以是size [0,size]
}

小结:

  • 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。对比ArrayList是通过System.arraycopy完成批量增加的
  • 通过下标获取某个node 的时候,(add select),会根据index处于前半段还是后半段 进行一个折半,以提升查询效率

2 插入单个节点add

//在尾部插入一个节点: add
public boolean add(E e) {
    linkLast(e);
    return true;
}

//生成新节点 并插入到 链表尾部, 更新 last/first 节点。
void linkLast(E e) { 
    final Node<E> l = last; //记录原尾部节点
    final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);//以原尾部节点为新节点的前置节点
    last = newNode;//更新尾部节点
    if (l == null)//若原链表为空链表,需要额外更新头结点
        first = newNode;
    else//否则更新原尾节点的后置节点为现在的尾节点(新节点)
        l.next = newNode;
    size++;//修改size
    modCount++;//修改modCount
}
    //在指定下标,index处,插入一个节点
    public void add(int index, E element) {
        checkPositionIndex(index);//检查下标是否越界[0,size]
        if (index == size)//在尾节点后插入
            linkLast(element);
        else//在中间插入
            linkBefore(element, node(index));
    }
    //在succ节点前,插入一个新节点e
    void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
        // assert succ != null;
        //保存后置节点的前置节点
        final Node<E> pred = succ.prev;
        //以前置和后置节点和元素值e 构建一个新节点
        final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
        //新节点new是原节点succ的前置节点
        succ.prev = newNode;
        if (pred == null)//如果之前的前置节点是空,说明succ是原头结点。所以新节点是现在的头结点
            first = newNode;
        else//否则构建前置节点的后置节点为new
            pred.next = newNode;
        size++;//修改数量
        modCount++;//修改modCount
    }

小结:

  • 增一定会修改modCount

删 remove

//删:remove目标节点
public E remove(int index) {
    checkElementIndex(index);//检查是否越界 下标[0,size)
    return unlink(node(index));//从链表上删除某节点
}
//从链表上删除x节点
E unlink(Node<E> x) {
    // assert x != null;
    final E element = x.item; //当前节点的元素值
    final Node<E> next = x.next; //当前节点的后置节点
    final Node<E> prev = x.prev;//当前节点的前置节点

    if (prev == null) { //如果前置节点为空(说明当前节点原本是头结点)
        first = next;  //则头结点等于后置节点 
    } else { 
        prev.next = next;
        x.prev = null; //将当前节点的 前置节点置空
    }

    if (next == null) {//如果后置节点为空(说明当前节点原本是尾节点)
        last = prev; //则 尾节点为前置节点
    } else {
        next.prev = prev;
        x.next = null;//将当前节点的 后置节点置空
    }

    x.item = null; //将当前元素值置空
    size--; //修改数量
    modCount++;  //修改modCount
    return element; //返回取出的元素值
}
    private void checkElementIndex(int index) {
        if (!isElementIndex(index))
            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
    }
    //下标[0,size)
    private boolean isElementIndex(int index) {
        return index >= 0 && index < size;
    }

删除链表中的指定节点:

    //因为要考虑 null元素,也是分情况遍历
    public boolean remove(Object o) {
        if (o == null) {//如果要删除的是null节点(从remove和add 里 可以看出,允许元素为null)
            //遍历每个节点 对比
            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;
    }
    //将节点x,从链表中删除
    E unlink(Node<E> x) {
        // assert x != null;
        final E element = x.item;//继续元素值,供返回
        final Node<E> next = x.next;//保存当前节点的后置节点
        final Node<E> prev = x.prev;//前置节点

        if (prev == null) {//前置节点为null,
            first = next;//则首节点为next
        } else {//否则 更新前置节点的后置节点
            prev.next = next;
            x.prev = null;//记得将要删除节点的前置节点置null
        }
        //如果后置节点为null,说明是尾节点
        if (next == null) {
            last = prev;
        } else {//否则更新 后置节点的前置节点
            next.prev = prev;
            x.next = null;//记得删除节点的后置节点为null
        }
        //将删除节点的元素值置null,以便GC
        x.item = null;
        size--;//修改size
        modCount++;//修改modCount
        return element;//返回删除的元素值
    }

删也一定会修改modCount。 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。

改set

public E set(int index, E element) {
    checkElementIndex(index); //检查越界[0,size)
    Node<E> x = node(index);//取出对应的Node
    E oldVal = x.item;//保存旧值 供返回
    x.item = element;//用新值覆盖旧值
    return oldVal;//返回旧值
}

改也是先根据index找到Node,然后替换值,改不修改modCount

查get

//根据index查询节点

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,
}

//根据节点对象,查询下标

    public int indexOf(Object o) {
        int index = 0;
        if (o == null) {//如果目标对象是null
        //遍历链表
            for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
                if (x.item == null)
                    return index;
                index++;
            }
        } else {////遍历链表
            for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
                if (o.equals(x.item))
                    return index;
                index++;
            }
        }
        return -1;
    }

//从尾至头遍历链表,找到目标元素值为o的节点

    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;
    }

查不修改modCount

toArray()

我们也顺带看一下toArray().毕竟这是个高频的API

    public Object[] toArray() {
        //new 一个新数组 然后遍历链表,将每个元素存在数组里,返回
        Object[] result = new Object[size];
        int i = 0;
        for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next)
            result[i++] = x.item;
        return result;
    }

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。对比ArrayList是通过System.arraycopy完成批量增加的。增加一定会修改modCount。
  • 通过下标获取某个node 的时候,(add select),会根据index处于前半段还是后半段 进行一个折半,以提升查询效率

  • 删也一定会修改modCount。 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,如果有,去链表上unlink掉这个Node。

  • 改也是先根据index找到Node,然后替换值。改不修改modCount。
  • 查本身就是根据index找到Node。
  • 所以它的CRUD操作里,都涉及到根据index去找到Node的操作。
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