深入剖析LinkedList的底层源码

一、LinkedList介绍及其源码剖析

继承结构：

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

LinkedList 继承了AbstractSequentialList类，实现了List接口、Deque 接口、Cloneable接口、java.io.Serializable接口。

• LinkedList 实现了 List 接口，即能对它进行队列操作，提供了相关的添加、删除、修改、遍历等功能。
• LinkedList 实现了 Deque 接口，即能将LinkedList当作双端队列使用。
• LinkedList 实现了Cloneable接口，即覆盖了函数clone()，所以它能被克隆。
• LinkedList 实现java.io.Serializable接口，这意味着LinkedList支持序列化，能通过序列化进行传输。

LinkedList属性源码剖析

public class LinkedList<E>
    extends AbstractSequentialList<E>
    implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable
{
    // 双向链表的节点个数
    transient int size = 0;

    /**
     * Pointer to first node.
     * Invariant: (first == null && last == null) ||
     *            (first.prev == null && first.item != null)
     */
     // 双向链表指向头节点的指针
    transient Node<E> first;

    /**
     * Pointer to last node.
     * Invariant: (first == null && last == null) ||
     *            (last.next == null && last.item != null)
     */
     // 双向链表指向尾节点的指针
    transient Node<E> last;

}

从以上源码可以看出，LinkedList 的属性比较少。分别是：

• size ： 双向链表的节点个数
• first： 双向链表指向头节点的指针
• last： 双向链表指向尾节点的指针

注意：first 和 last 是由引用类型Node连接的，这是它的一个内部类。

Node源码剖析

private static class Node<E> {
    // item表示当前存储元素
    E item;
    // next表示当前节点的后置节点
    Node<E> next;
    // prev表示当前节点的前置节点
    Node<E> prev;
    Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
        this.item = element;
        this.next = next;
        this.prev = prev;
    }
}

LinkedList 是通过双向链表实现的，而双向链表就是通过Node类来实现的，Node类中通过item变量存储当前元素，通过next变量指向当前节点的下一个节点，通过prev变量指向当前节点的上一个节点。

二、构造方法及其源码剖析

1. 无参构造方法

源码剖析

/**
 * Constructs an empty list.
 */
public LinkedList() {
}

LinkedList 的无参构造就是构造一个空的list集合

2. Collection<? extends E>型构造方法

源码剖析

/**
 * Constructs a list containing the elements of the specified
 * collection, in the order they are returned by the collection's
 * iterator.
 *
 * @param  c the collection whose elements are to be placed into this list
 * @throws NullPointerException if the specified collection is null
 */
public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
    this();
    addAll(c);
}

从源码中分析可得：

构造一个包含指定集合的元素的列表，按照它们由集合的迭代器返回的顺序。

三、常用方法及其源码剖析

1. add() 方法

add(E e) 方法，将指定的元素追加到此列表的末尾

源码剖析

/**
 * Appends the specified element to the end of this list.
 *
 * <p>This method is equivalent to {@link #addLast}.
 *
 * @param e element to be appended to this list
 * @return {@code true} (as specified by {@link Collection#add})
 */
public boolean add(E e) {
    linkLast(e);
    return true;
}

其中，调用了linkLast()方法，设置元素e为最后一个元素

/**
 * Links e as last element.
 */
void linkLast(E e) {
    // 获取链表的最后一个节点
    final Node<E> l = last;
    // 创建一个新节点
    final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
    // 使新的一个节点为最后一个节点
    last = newNode;
    // 如果最后一个节点为null，则表示链表为空，则将newNode赋值给first节点
    if (l == null)
        first = newNode;
    else
        // 否则尾节点的last指向 newNode
        l.next = newNode;
    // 元素的个数加1
    size++;
    // 修改次数自增
    modCount++;
}

总结：

• 第一步，获取链表的最后一个节点
• 第二步，创建一个新节点
• 第三步，使新的一个节点为最后一个节点
• 第四步，如果最后一个节点为null，则表示链表为空，则将newNode赋值给first节点；否则尾节点的last指向 newNode

add(int index, E element) 方法，在指定位置插入元素

源码剖析

/**
 * Inserts the specified element at the specified position in this list.
 * Shifts the element currently at that position (if any) and any
 * subsequent elements to the right (adds one to their indices).
 *
 * @param index index at which the specified element is to be inserted
 * @param element element to be inserted
 * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
 */
public void add(int index, E element) {
    // 检查索引index的位置
    checkPositionIndex(index);
    // 如果index==size，直接在链表的最后插入元素，相当于add(E e)方法
    if (index == size)
        linkLast(element);
    else
        // 否则调用node方法将index位置的节点找出，接着调用linkBefore 方法
        linkBefore(element, node(index));
}

总结：

首先检查索引index的位置，看下标是否越界
如果index==size，直接在链表的最后插入元素，相当于add(E e)方法
否则调用node方法将index位置的节点找出，接着调用linkBefore 方法

其中，调用checkPositionIndex()方法，检查索引index的位置

源码剖析

private void checkPositionIndex(int index) {
    if (!isPositionIndex(index))
        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}

在增加元素的时候，调用了linkBefore()方法，在非null节点succ之前插入元素e

源码剖析

/**
 * Inserts element e before non-null Node succ.
 */
void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
    // assert succ != null;
    // 指定节点的前驱
    final Node<E> pred = succ.prev;
    // 创建新的节点，前驱节点为succ的前驱节点，后续节点为succ，则e元素就是插入在succ之前的
    final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
    // 构建双向链表，succ的前驱节点为新的节点
    succ.prev = newNode;
    // 如果前驱节点为null，则把newNode赋值给first
    if (pred == null)
        first = newNode;
    else
        // 构建双向列表
        pred.next = newNode;
    // 元素的个数加    
    size++;
    // 修改次数自增
    modCount++;

总结：

指定节点的前驱
创建新的节点，前驱节点为succ的前驱节点，后续节点为succ，则e元素就是插入在succ之前的
构建双向链表，succ的前驱节点为新的节点
如果前驱节点为null，则把newNode赋值给first；否则构建双向列表

2. remove() 方法

remove() 方法 删除这个列表的头(第一个元素)

源码剖析

/**
 * Retrieves and removes the head (first element) of this list.
 *
 * @return the head of this list
 * @throws NoSuchElementException if this list is empty
 * @since 1.5
 */
public E remove() {
    return removeFirst();
}

其中，调用了removeFirst()方法，删除并返回第一个元素

源码剖析

/**
 * Removes and returns the first element from this list.
 *
 * @return the first element from this list
 * @throws NoSuchElementException if this list is empty
 */
public E removeFirst() {
    final Node<E> f = first;
    if (f == null)
        throw new NoSuchElementException();
    return unlinkFirst(f);
}

remove(int index) 方法，删除指定位置的元素

源码剖析

/**
 * Removes the element at the specified position in this list.  Shifts any
 * subsequent elements to the left (subtracts one from their indices).
 * Returns the element that was removed from the list.
 *
 * @param index the index of the element to be removed
 * @return the element previously at the specified position
 * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
 */
public E remove(int index) {
    // 检查索引index的位置
    checkElementIndex(index);
    // 调用node方法获取节点，接着调用unlink(E e)方法    
    return unlink(node(index));
}

总结：

检查索引index的位置
调用node方法获取节点，接着调用unlink(E e)方法

其中，调用了unlink()方法

源码剖析

/**
 * Unlinks non-null node x.
 */
E unlink(Node<E> x) {
    // assert x != null;
    // 获得节点的三个属性
    final E element = x.item;
    final Node<E> next = x.next;
    final Node<E> prev = x.prev;
    
    // 进行移除该元素之后的操作
    if (prev == null) {
        // 删除的是第一个元素
        first = next;
    } else {
        prev.next = next;
        x.prev = null;
    }

    if (next == null) {
        // 删除的是最后一个元素
        last = prev;
    } else {
        next.prev = prev;
        x.next = null;
    }
    
    // 把item置为null，让垃圾回收器回收
    x.item = null;
     // 移除一个节点，size自减
    size--;
    modCount++;
    return element;
}

3. set() 方法

set(int index, E element)方法，将指定下标处的元素修改成指定值

源码剖析

/**
 * Replaces the element at the specified position in this list with the
 * specified element.
 *
 * @param index index of the element to replace
 * @param element element to be stored at the specified position
 * @return the element previously at the specified position
 * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
 */
public E set(int index, E element) {
    checkElementIndex(index);
    // 通过node(int index)找到对应下标的元素
    Node<E> x = node(index);
     // 取出该节点的元素，供返回使用
    E oldVal = x.item;
     // 用新元素替换旧元素
    x.item = element;
    // 返回旧元素
    return oldVal;
}

总结：

先通过node(int index)找到对应下标的元素，然后修改Node中item的值。

4. get() 方法

get(int index) 返回此列表中指定位置的元素

源码剖析

public E get(int index) {
    // 检查索引index的位置
    checkElementIndex(index);
    // 调用node()方法
    return node(index).item;
}

在此调用了node()方法

源码剖析

/**
 * Returns the (non-null) Node at the specified element index.
 */
// 这里查询使用的是先从中间分一半查找
Node<E> node(int index) {
    // assert isElementIndex(index);

    // 从前半部分进行查找
    if (index < (size >> 1)) {
        Node<E> x = first;
        for (int i = 0; i < index; i++)
            x = x.next;
        return x;
    } else {
        // 从后半部分进行查找
        Node<E> x = last;
        for (int i = size - 1; i > index; i--)
            x = x.prev;
        return x;
    }
}

总结：

这里查询使用的是先从中间分一半查找，根据下标是否超过链表长度的一半，来选择从前半部分开始遍历查找，还是从后半部分开始遍历查找。

如果index小于size的一半，就从首节点开始遍历，一直获取x的下一个节点
如果index大于或等于size的一半，就从尾节点开始遍历，一直获取x的上一个节点

四、双端队列操作方法的源码剖析

offerFirst(E e) 方法，将指定的元素插入到此集合列表的前面，也就是将将元素添加到首部

源码剖析

/**
 * Inserts the specified element at the front of this list.
 *
 * @param e the element to insert
 * @return {@code true} (as specified by {@link Deque#offerFirst})
 * @since 1.6
 */
public boolean offerFirst(E e) {
    addFirst(e);
    return true;
}

offerLast(E e)方法，将指定的元素插入到此集合列表的末尾，也就是将元素添加到尾部

源码剖析

/**
  * Inserts the specified element at the end of this list.
  *
  * @param e the element to insert
  * @return {@code true} (as specified by {@link Deque#offerLast})
  * @since 1.6
  */
 public boolean offerLast(E e) {
     addLast(e);
     return true;
 }

peekFirst()方法，获取此集合列表的第一个元素值

源码剖析

/**
  * Retrieves, but does not remove, the first element of this list,
  * or returns {@code null} if this list is empty.
  *
  * @return the first element of this list, or {@code null}
  *         if this list is empty
  * @since 1.6
  */
 public E peekFirst() {
     final Node<E> f = first;
     return (f == null) ? null : f.item;
  }

peekLast()方法，获取此集合列表的最后一个元素值

源码剖析

/**
 * Retrieves, but does not remove, the last element of this list,
 * or returns {@code null} if this list is empty.
 *
 * @return the last element of this list, or {@code null}
 *         if this list is empty
 * @since 1.6
 */
public E peekLast() {
    final Node<E> l = last;
    return (l == null) ? null : l.item;
}

pollFirst()方法,删除此集合列表的第一个元素，如果为null，则会返回null

源码剖析

/**
   * Retrieves and removes the last element of this list,
   * or returns {@code null} if this list is empty.
   *
   * @return the last element of this list, or {@code null} if
   *     this list is empty
   * @since 1.6
   */
  public E pollLast() {
      final Node<E> l = last;
      return (l == null) ? null : unlinkLast(l);
  }

push(E e)方法，将元素添加到此集合列表的首部

源码剖析

/**
  * Pushes an element onto the stack represented by this list.  In other
  * words, inserts the element at the front of this list.
  *
  * <p>This method is equivalent to {@link #addFirst}.
  *
  * @param e the element to push
  * @since 1.6
  */
 public void push(E e) {
     addFirst(e);
 }

pop()方法，删除并返回此集合列表的第一个元素，如果为null会抛出异常

源码剖析

/**
 * Pops an element from the stack represented by this list.  In other
 * words, removes and returns the first element of this list.
 *
 * <p>This method is equivalent to {@link #removeFirst()}.
 *
 * @return the element at the front of this list (which is the top
 *         of the stack represented by this list)
 * @throws NoSuchElementException if this list is empty
 * @since 1.6
 */
 //删除首部，如果为null会抛出异常
public E pop() {
    return removeFirst();
}

removeFirstOccurrence(Object o)方法，删除集合中元素值等于o的第一个元素值

源码剖析

/**
 * Removes the first occurrence of the specified element in this
 * list (when traversing the list from head to tail).  If the list
 * does not contain the element, it is unchanged.
 *
 * @param o element to be removed from this list, if present
 * @return {@code true} if the list contained the specified element
 * @since 1.6
 */
public boolean removeFirstOccurrence(Object o) {
    return remove(o);
}

注意：

removeFirstOccurrence()和remove方法是一样的，因为它的内部调用了remove方法

removeLastOccurrence(Object o)方法，删除集合中元素值等于o的最后一个元素值

源码剖析

/**
 * Removes the last occurrence of the specified element in this
 * list (when traversing the list from head to tail).  If the list
 * does not contain the element, it is unchanged.
 *
 * @param o element to be removed from this list, if present
 * @return {@code true} if the list contained the specified element
 * @since 1.6
 */
public boolean removeLastOccurrence(Object o) {
    //因为LinkedList中的元素允许存在null值，所以需要进行null判断
    if (o == null) {
        // 从最后一个节点往前开始遍历
        for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) {
            if (x.item == null) {
                 // 调用unlink方法删除指定节点
                unlink(x);
                return true;
            }
        }
    } else {
        // 否则元素不为空，进行遍历
        for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) {
            if (o.equals(x.item)) {
                unlink(x);
                return true;
            }
        }
    }
    return false;
}

五、ArrayList 和 LinkedList 的区别

二者都 线程不安全，但是效率比 Vector（线程安全） 的高

• ArrayList 底层是以 数组 的形式保存数据，随机访问集合中的元素比LinkedList 快（原因是 LinkedList 要移动指针）；
• LinkedList 内部以 链表 的形式保存集合里面数据，它随机访问集合中的元素性能比较慢，但是新增和删除时速度比 ArrayList 快（原因是 ArrayList 要移动数据）。

ref:深入剖析LinkedList的底层源码，再也不怕面试官问了！ - 知乎 (zhihu.com)