LinkedList源码解读—Java8版本(上)

简介: LinkedList源码解读—Java8版本(上)

一、LinkedList简介


LinkedList顶部有一段很长的注释,大概的介绍了LinkedList。


1.1 原文

/**
 * Doubly-linked list implementation of the {@code List} and {@code Deque}
 * interfaces.  Implements all optional list operations, and permits all
 * elements (including {@code null}).
 *
 * <p>All of the operations perform as could be expected for a doubly-linked
 * list.  Operations that index into the list will traverse the list from
 * the beginning or the end, whichever is closer to the specified index.
 *
 * <p><strong>Note that this implementation is not synchronized.</strong>
 * If multiple threads access a linked list concurrently, and at least
 * one of the threads modifies the list structurally, it <i>must</i> be
 * synchronized externally.  (A structural modification is any operation
 * that adds or deletes one or more elements; merely setting the value of
 * an element is not a structural modification.)  This is typically
 * accomplished by synchronizing on some object that naturally
 * encapsulates the list.
 *
 * If no such object exists, the list should be "wrapped" using the
 * {@link Collections#synchronizedList Collections.synchronizedList}
 * method.  This is best done at creation time, to prevent accidental
 * unsynchronized access to the list:<pre>
 *   List list = Collections.synchronizedList(new LinkedList(...));</pre>
 *
 * <p>The iterators returned by this class's {@code iterator} and
 * {@code listIterator} methods are <i>fail-fast</i>: if the list is
 * structurally modified at any time after the iterator is created, in
 * any way except through the Iterator's own {@code remove} or
 * {@code add} methods, the iterator will throw a {@link
 * ConcurrentModificationException}.  Thus, in the face of concurrent
 * modification, the iterator fails quickly and cleanly, rather than
 * risking arbitrary, non-deterministic behavior at an undetermined
 * time in the future.
 *
 * <p>Note that the fail-fast behavior of an iterator cannot be guaranteed
 * as it is, generally speaking, impossible to make any hard guarantees in the
 * presence of unsynchronized concurrent modification.  Fail-fast iterators
 * throw {@code ConcurrentModificationException} on a best-effort basis.
 * Therefore, it would be wrong to write a program that depended on this
 * exception for its correctness:   <i>the fail-fast behavior of iterators
 * should be used only to detect bugs.</i>
 *
 * <p>This class is a member of the
 * <a href="{@docRoot}/../technotes/guides/collections/index.html">
 * Java Collections Framework</a>.
 *
 * @author  Josh Bloch
 * @see     List
 * @see     ArrayList
 * @since 1.2
 * @param <E> the type of elements held in this collection
 */
public class LinkedList<E>
    extends AbstractSequentialList<E>
    implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable
{
...
}


1.2 翻译

双向链表是实现了List和Deque接口。实现了所有List的操作和允许值为Null。


所有的操作执行都与双向链表相似。操作索引将遍历整个链表,至于是从头开始遍历还是从尾部开始遍历取决于索引的下标距离哪个比较近。


需要注意的是这个方法不是同步的方法,需要同步的应用(ConcurrentLinkedDeque高效的队列),如果多个线程同时操作LinkedList实例和至少有一个线程修改list的结构,必须在外部加同步操作。关于结构性操作可以看前面的HashMap的介绍。这个同步操作通常是压缩在某些对象头上面。(synchronized就是存储在对象头上面。)


如果对象头不存在这样的对象,这个列表应该使用{@link Collections#synchronizedList Collections.synchronizedList}工具来封装,这个操作最好是在创建List之前完成,防止非同步的操作。List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList(…));但是一般不用这个方法,而是用JUC包下的ConcurrentLinkedDeque更加高效,(因为这个底层采用的是CAS操作)


快速失败机制(…好像在集合容器下面都有这个机制来抛出异常…)


当一个list被多个线程成同时修改的时候会抛出异常。但是不能用来保证线程安全。


所以在多线程环境下,还是要自己加锁或者采用JUC包下面的方法来保证线程安全, 而不能依靠fail-fast机制抛出异常,这个方法只是用来检测bug。


整个说明文档其实是跟ArrayList差不多,只不过是他们的底层实现的数据结构不一样而已,可以参考对比ArrayList。【【手撕源码系列】ArrayList源码解读—Java8版本】


1.3 一语中的

image.png


1.4 LinkedList和ArrayList的区别

顺序插入的速度ArrayList会快些,LinkedList的速度会稍慢一些。因为ArrarList只是在指定的位置上赋值即可,而LinkedList则需要创建Node对象,并且需要建立前后关联,如果对象较大的话,速度会慢一些。


LinkedList的占用的内存空间要大一些。


数组遍历的方式ArrayList推荐使用for循环,而LinkedList则推荐使用foreach,如果使用for循环,效率将会很慢。


一般我们这样认为:ArrarList查询和获取快,修改和删除慢;LinkedList修改和删除快,查询和获取慢。其实这样说不准确的。


LinkedList做插入、删除的时候,慢在寻址,快在只需要改变前后Entry的引用地址;

ArrayList做插入、删除的时候,慢在数组元素的批量copy,快在寻址。


所以,如果待插入、删除的元素是在数据结构的前半段尤其是非常靠前的位置的时候,LinkedList的效率将大大快过ArrayList,因为ArrayList将批量copy大量的元素;越往后,对于LinkedList来说,因为它是双向链表,所以在第2个元素后面插入一个数据和在倒数第2个元素后面插入一个元素在效率上基本没有差别,但是ArrayList由于要批量copy的元素越来越少,操作速度必然追上乃至超过LinkedList。


1.5 如何选择?

1、如果你十分确定你插入、删除的元素是在前半段,使用LinkedList

2、如果你十分确定你删除、删除的元素后半段,使用ArrayList

3、如果你上面的两点不确定,建议你使用LinkedList


说明:


其一、LinkedList整体插入、删除的执行效率比较稳定,没有ArrayList这种越往后越快的情况;


其二、插入元素的时候,弄得不好ArrayList就要进行一次扩容,而ArrayList底层数组扩容是一个既消耗时间又消耗空间的操作,所以综合来看就知道选择哪个类型的list


二、定义


我们先来看看LinkedList的定义:

public class LinkedList<E>
    extends AbstractSequentialList<E>
    implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable

image.png

如何查看类的完整结构图可以参考如下文章:

IDEA如何查看类的完整结构图


从图中,我们可以看出:


继承了AbstractSequentialList抽象类:在遍历LinkedList的时候,官方更推荐使用顺序访问,也就是使用我们的迭代器。(因为LinkedList底层是通过一个链表来实现的)(虽然LinkedList也提供了get(int index)方法,但是底层的实现是:每次调用get(int index)方法的时候,都需要从链表的头部或者尾部进行遍历,每一的遍历时间复杂度是O(index),而相对比ArrayList的底层实现,每次遍历的时间复杂度都是O(1)。所以不推荐通过get(int index)遍历LinkedList。至于上面的说从链表的头部后尾部进行遍历:官方源码对遍历进行了优化:通过判断索引index更靠近链表的头部还是尾部来选择遍历的方向)(所以这里遍历LinkedList推荐使用迭代器)。


实现了List接口。(提供List接口中所有方法的实现)


实现了Cloneable接口,它支持克隆(浅克隆),底层实现:LinkedList节点并没有被克隆,只是通过Object的clone()方法得到的Object对象强制转化为了LinkedList,然后把它内部的实例域都置空,然后把被拷贝的LinkedList节点中的每一个值都拷贝到clone中。(后面有源码解析)


实现了Deque接口。实现了Deque所有的可选的操作。


实现了Serializable接口。表明它支持序列化。(和ArrayList一样,底层都提供了两个方法:readObject(ObjectInputStreamo)、writeObject(ObjectOutputStream o),用于实现序列化,底层只序列化节点的个数和节点的值)。


三、数据结构


image.png

如图所示,LinkedList底层通过数链表实现。

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