JDK集合源码之LinkedList解析-阿里云开发者社区

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1.LinkedList继承体系

LinkedList：LinkedList是一个以双向链表实现的List，它除了作为List使用，还可以作为队列或者栈来使用。

从继承体系可以看出，LinkedList实现了Cloneable和Serializable接口，说明其可以被克隆，也可以被序列化！同样的，LinkedList被克隆的时候，和ArrayList一样二者均是浅拷贝。

对于如何实现集合的浅拷贝和序列化，我在上一篇文章JDK集合源码之ArrayList解析已经给大家介绍了，可以参考一下。

下面进入正题——分析源码：

2.LinkedList基本属性

// 链表中元素的个数
transient int size = 0;
// 链表的头节点
transient Node<E> first;
// 链表的尾节点
transient Node<E> last;

三个基本属性通过关键字transient修饰，使其不被序列化。

3.Node内部类

private static class Node<E> {
    E item;// node存储的元素
    Node<E> next;// 前驱
    Node<E> prev;// 后驱
    Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
        this.item = element;
        this.next = next;
        this.prev = prev;
    }
}

从代码中就可以看出，这是双向链表结构。

4.构造方法

空参构造

public LinkedList() {
}

有参构造(参数是一个Collection)

public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
    this();
    addAll(c);
}
// 将指定集合中的所有元素追加到此列表的末尾
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
    return addAll(size, c);
}
// 从指定位置开始，将指定集合中的所有元素插入此集合
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {// 从指定位置开始，将指定集合中的所有元素插入此集合
    checkPositionIndex(index);// 检查index是否越界,index >= 0 && index <= size
    Object[] a = c.toArray();// 将集合转成object类型数组
    int numNew = a.length;// 获取该数组长度
    if (numNew == 0)
        return false;
    Node<E> pred, succ;
    if (index == size) {// 当要插入位置的索引位于链表最后一个元素处
        succ = null;// 当前节点置空
        pred = last;// 要拼接的集合前驱节点为原始链表的尾节点
    } else {
        succ = node(index);// 得到index索引位置的节点
        pred = succ.prev;// 前驱节点指向index所处节点的前一个节点
    }
    for (Object o : a) {
        @SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) o;
        Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, null);
        if (pred == null)// 如果前驱为null说明当前节点位于该链表的头节点
            first = newNode;// 使头节点等于新创建的节点
        else
            pred.next = newNode;// 前驱节点的尾指针指向头节点
        pred = newNode;// pred前驱后移
    }
    if (succ == null) {// 这种情况说明index索引位于原始链表的最后
        last = pred;// 尾节点直接指向拼接完成链表的最后
    } else {
        pred.next = succ;// pred的后驱节点是succ
        succ.prev = pred;// succ的前驱节点是pred
    }
    size += numNew;// 集合中元素的个数+numNew
    modCount++;// 集合修改次数+1
    return true;
}
// 返回指定元素索引处的（非空）节点。
Node<E> node(int index) {
    if (index < (size >> 1)) {// 如果该索引位于链表元素的前一半
        Node<E> x = first;// 从头节点开始定位index的位置
        for (int i = 0; i < index; i++)
            x = x.next;// 指针移动到index位置
        return x;// 将该节点内容返回
    } else {// 如果该索引位于链表元素的后一半
        Node<E> x = last;// 从尾节点开始定位index的位置
        for (int i = size - 1; i > index; i--)
            x = x.prev;// 指针移动到index位置
        return x;// 将该节点内容返回
    }
}

由两个无参构造方法得出，这是一个无界的双端队列。

5.添加元素

对于双端队列的性质，添加元素时，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：

public void addFirst(E e) {
    linkFirst(e);// 头部添加
}
public void addLast(E e) {
      linkLast(e);// 尾部添加
}
// 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;
}

头部添加

/**
 *  头部添加元素
 */
private void linkFirst(E e) {
    final Node<E> f = first;// 首节点
    final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);// 创建新节点，新节点的next是首节点
    first = newNode;// 让新节点作为新的首节点
    if (f == null)// 判断是不是第一个添加的元素
        last = newNode;// 如果是就把last也设置为新节点
    else//  如果不是，就把原首节点的prev指针置为新节点
        f.prev = newNode;// 原来首节点的前驱是当前新增节点
    size++;// 元素个数加1
    modCount++;// 修改次数加1，说明这是一个支持fail-fast的集合
}

尾部添加

/**
 * 尾部添加
 */
void linkLast(E e) {
    final Node<E> l = last;// 队列尾节点
    final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);// 创建新节点，新节点的prev是尾节点
    last = newNode;// 让新节点成为新的尾节点
    if (l == null)// 判断是不是第一个添加的元素
        first = newNode;// 如果是就把first也置为新节点
    else// 否则把原尾节点的next指针置为新节点
        l.next = newNode;
    size++;// 元素个数加1
    modCount++;// 修改次数加1，说明这是一个支持fail-fast的集合

中间指定位置添加

LinedList作为集合，需要在中间其他位置添加元素，该功能是通过下面的方法实现的：

// 在指定index位置处添加元素
public void add(int index, E element) {
    checkPositionIndex(index);// 判断是否越界，
    if (index == size)// 如果index是在队列尾节点之后的一个位置
        linkLast(element);// 把新节点直接添加到尾节点之后
    else// 否则调用linkBefore()方法在中间添加节点
        linkBefore(element, node(index));
}
// 寻找index位置的节点，返回指定元素索引处的（非空）节点。
Node<E> node(int index) {
    // 因为是双链表
    if (index < (size >> 1)) {// 如果该索引位于链表元素的前一半
        Node<E> x = first;// 从头节点开始定位index的位置
        for (int i = 0; i < index; i++)
            x = x.next;// 指针移动到index位置
        return x;// 将该节点内容返回
    } else {// 如果该索引位于链表元素的后一半
        Node<E> x = last;// 从尾节点开始定位index的位置
        for (int i = size - 1; i > index; i--)
            x = x.prev;// 指针移动到index位置
        return x;// 将该节点内容返回
    }
}
void linkBefore(E e, Node<E> succ) {// 在非空节点succ之前插入元素e
    // succ是待添加节点的后继节点
    final Node<E> pred = succ.prev;// 找到待添加节点的前置节点
    final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);// 在其前置节点和后继节点之间创建一个新节点
    succ.prev = newNode;// 修改后继节点的前置指针指向新节点
    if (pred == null)// 判断前置节点是否为空
        first = newNode;// 如果为空，说明是第一个添加的元素，修改first指针
    else// 否则修改前置节点的next为新节点
        pred.next = newNode;
    size++;// 修改集合元素个数
    modCount++;// 集合修改次数加1
}

LinkedList在中间添加元素的方法实现原理就是，典型的双链表在中间添加元素的流程！

如图：

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)

6.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。

移除头部元素：

头部删除

public E

public E removeFirst() {// remove的时候如果没有元素抛出异常
    final Node<E> f = first;
    if (f == null)
        throw new NoSuchElementException();
    return unlinkFirst(f);
}
private E unlinkFirst(Node<E> f) {// 删除首节点
    // assert f == first && f != null;
    final E element = f.item;// 首节点的元素值
    final Node<E> next = f.next;// 首节点的next指针
    f.item = null;
    f.next = null; // 协助GC回收
    first = next;// 把首节点的next作为新的首节点
    if (next == null)// 如果只有一个元素，删除了，把last也置为空
        last = null;
    else// 否则把next的前置指针置为空
        next.prev = null;
    size--;// 元素个数减1
    modCount++;// 修改次数加1
    return element;// 返回删除的元素
}

尾部删除

public E removeLast() {// remove的时候如果没有元素抛出异常
    final Node<E> l = last;
    if (l == null)
        throw new NoSuchElementException();
    return unlinkLast(l);
}
private E unlinkLast(Node<E> l) {// 删除尾节点
    // assert l == last && l != null;
    final E element = l.item;// 尾节点的元素值
    final Node<E> prev = l.prev;// 尾节点的前置指针
    l.item = null;
    l.prev = null; // 清空尾节点的内容，协助GC
    last = prev;// 让前置节点成为新的尾节点
    if (prev == null)// 如果只有一个元素，删除了把first置为空
        first = null;
    else// 否则把前置节点的置为空next
        prev.next = null;
    size--;// 元素个数减1
    modCount++;// 修改次数加1
    return element;// 返回删除的元素
}

中间指定位置删除

public E remove(int index) {// 删除中间index处的节点
    checkElementIndex(index);// 检查是否越界
    return unlink(node(index));// 删除指定index位置的节点
}
/**
 *  删除指定节点x.
 */
E unlink(Node<E> x) {
    // assert x != null;
    final E element = x.item;// x的元素值
    final Node<E> next = x.next;// x的后置节点
    final Node<E> prev = x.prev;// x的前置节点
    if (prev == null) {// 如果前置节点为空
        first = next;// 说明是首节点，让first指向x的后置节点
    } else {// 否则修改前置节点的next为x的后置节点
        prev.next = next;
        x.prev = null;// x的前置为空
    }
    if (next == null) {// 如果后置节点为空
        last = prev;// 说明是尾节点，让last指向x的前置节点
    } else {// 否则修改后置节点的prev为x的前置节点
        next.prev = prev;
        x.next = null;// x的后置为空
    }
    x.item = null;// 清空x的元素值，协助GC
    size--;// 元素个数减1
    modCount++;// 修改次数加1
    return element;// 返回删除的元素
}

7.修改元素

根据索引修改元素很简单：

public E set(int index, E element) {
    checkElementIndex(index);
    Node<E> x = node(index);
    E oldVal = x.item;
    x.item = element;
    return oldVal;
}

8.可以作为队列

另外，因为LinkedList本身除了继承于List，还继承于Deque，说明其也具有队列的peek()，poll()与其类似的就是pollFirst()，pollLast()，peekLast()，peekFirst()等，其实现原理相同，这里简单列举两个：

// 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)。

9.可以作为栈

LinkedList是双端队列，双端队列可以作为栈使用。

其也具有如下方法：

// 弹出末尾元素
public E pop() {
  // 队列的头元素就是栈的末尾元素
    return removeFirst();
}
// 入栈
public void push(E e) {
  // 队列的头元素就是栈的末尾元素
    addFirst(e);
}

10.总结

1）LinkedList是一个以双链表实现的List；

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；

ArrayList代表了List的典型实现，LInkedList代表了Deque的典型实现，同时LinkedList也实现了List。

11.扩展

LinkedList的并发修改异常

举例：

@Test
public void test02() {
    LinkedList linkedList = new LinkedList();
    linkedList.add("aaa");
    linkedList.add("bbb");
    linkedList.add("ccc");
    Iterator iterator = linkedList.iterator();
    while (iterator.hasNext()){// 使用迭代器遍历的时候，进行添加或者删除操作修改列表
        linkedList.add("eee");// 会出现并发修改异常
        System.out.println(iterator.next());
    }
}

在使用迭代器遍历的时候，又进行改动链表结构，就会出现并发修改异常错误：

java.util.ConcurrentModificationException
  at java.util.LinkedList$ListItr.checkForComodification(LinkedList.java:966)
  at java.util.LinkedList$ListItr.next(LinkedList.java:888)
  at com.haust.list.LinkedListTest.test02(LinkedListTest.java:35)

我们来研究下异常产生的原因：

首先，我们从迭代器linkedList.iterator();入手，点进去看源码，逐层点击，进入AbstractList 类中，可以看到如下代码：

public ListIterator<E> listIterator(final int index) {
    rangeCheckForAdd(index);// 检查index是否越界
    return new ListItr(index);
}

我们点进去返回的ListItr(index)查看：

// 这里的modCount=3，因为我们初始化linkedList集合的时候为其添加了三个元素
// 分别是：aaa bbb ccc
// 令期望修改次数等于链表修改的次数
private int expectedModCount = modCount;
// 所以现在expectedModCount 在执行完linkedList.iterator();之后其预期修改次数是3

当执行完linkedList.iterator();之后进入while循环，循环条件是iterator.hasNext()，之后进入循环体内部执行add添加操作，调用：

public boolean add(E e) {
        linkLast(e);
        return true;
}
void linkLast(E e) {
    final Node<E> l = last;// 队列尾节点
    final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);// 创建新
    last = newNode;// 让新节点成为新的尾节点
    if (l == null)// 判断是不是第一个添加的元素
        first = newNode;// 如果是就把first也置为新节点
    else// 否则把原尾节点的next指针置为新节点
        l.next = newNode;
    size++;// 元素个数加1
  /** 注意：这里添加完后，链表的修改次数加1，这是导致并发修改异常的重要条件 **/
    modCount++;// 这里再加1后，实际链表修改次数由3--->变为4
}

add添加操作完成后，执行输出语句中的iterator.next()，进入其next()源码，发现：

public E next() {
  // 检查链表预期修改次数和实际链表修改次数是否匹配
    checkForComodification();
    if (!hasNext())
        throw new NoSuchElementException();
    lastReturned = next;
    next = next.next;
    nextIndex++;
    return lastReturned.item;
}
final void checkForComodification() {
    // 这里实际修改次数4和期望修改次数不相等
    if (modCount != expectedModCount)
      // 抛出并发修改异常
        throw new ConcurrentModificationException();
}

解决方案：

// 解决方案：使用 Iterator 换用 ListIterator迭代器
ListIterator listIterator = linkedList.listIterator()
while (listIterator.hasNext()){
    listIterator.add("eee");// 用listIterator为集合添加元素
    System.out.println(iterator.next());
}

输出结果(正常)：

aaa
bbb
ccc

ListIterator的listIterator()和原来的iterator()基本相同，而其之所以可以解决并发修改异常原因在于，listIterator.add("eee");该代码段，其添加元素的流程如下：

public void add(E e) {
  // 添加之前先检查是否有并发修改异常，这时候预期修改次数和实际修改次数还是相等的，都是3
    checkForComodification();
    lastReturned = null;
    if (next == null)
        linkLast(e);
    else
        linkBefore(e, next);// 执行完成后modCount++变为4
    nextIndex++;
    // 重点就在于此：当执行完添加后，将预期修改次数也+1，这样就能保证其与实际修改次数同步+1,二者目前都为4
    expectedModCount++;
}

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