【图灵干货】java高级教程第二十节：LinkedList源码解析

　　# 第一章 LinkedList介绍

　　## 1.1 引导语

　　LinkedList 集合底层是一个双向链表结构，具有增删快，查询慢的忒点,内部包含大量操作首尾元素的方法。适用于集合元素先入先出和先入后出的场景，在队列源码中被频繁使用。

　　## 1.2 整体架构

　　LinkedList 底层数据结构是一个双向链表，整体结构如下图所示：

　　上图代表了一个双向链表结构，可以通过前面的节点找到后面的节点,也可以通过后面的节点找到前面的节点

　　相关概念:

　　- Node: 代表链中的每个节，Node 的 prev 属性，代表前一个节点的地址，Node 的next 属性，代表后一个节点的地址;

　　- first :代表双向链表的头节点，它的前一个节点是 null。

　　- last: 代表双向链表的尾节点，它的后一个节点是 null;

　　- 如果链表中没有任何数据时，头节点first 和 尾节点last 是同一个节点，前后指向都是 null;

　　- 因为LinkedList集合是个双向链表，所以机器只要有足够强大的内存，对于LinkedList集合而言是没有大小限制的。

　　链表中的元素被称为Node， Node被定义成私有静态内部类,内容如下 ：

　　```java

　　private static class Node {

　　E item;// 节点中存储的数据

　　Node next; // 下一个节点的地址

　　Node prev; // 前一个节点的地址

　　// 构造方法初始化参数顺序分别是：前一个节点的地址值、当前节点中存储的数据、后一个节点的地址值

　　Node(Node prev, E element, Node next) {

　　this.item = element;

　　this.next = next;

　　this.prev = prev;

　　}

　　}

　　```

　　# 第二章 LinkedList 源码解析

　　### 2.1 添加(新增)节点

　　如果想在LinkedList集合中添加节点，我们把新加入的节点添加到链表头部，也可以把新加入的节点添加添加到链表尾部，add 方法默认是从尾部开始添加，addFirst 方法是从头部开始添加，下面分别来看下两种不同的添加方式：

　　**从尾部添加(add)**

　　```java

　　// 从尾部开始添加节点

　　void linkLast(E e) {

　　// 把尾节点数据暂存

　　final Node l = last;

　　// 新建新的节点，初始化入参含义：

　　// l 是新节点的前一个节点，当前值是尾节点值

　　// e 表示当前新增节点，当前新增节点后一个节点是 null

　　final Node newNode = new Node<>(l, e, null);

　　// 新建节点添加到尾部

　　last = newNode;

　　//如果链表为空(l 是尾节点，尾节点为空，链表即空)，头部和尾部是同一个节点，都是新建的节点

　　if (l == null)

　　first = newNode;

　　//否则把前尾节点的下一个节点，指向当前尾节点。

　　else

　　l.next = newNode;

　　size++;//集合元素数量增加1

　　modCount++;//实际修改次数增加1

　　}

　　```

　　从源码上来看，尾部添加节点比较简单.

　　**从头部添加(addFirst)**

　　```java

　　// 从头部添加

　　private void linkFirst(E e) {

　　// 头节点赋值给临时变量

　　final Node f = first;

　　// 新建节点，前一个节点指向null，e 是新建节点，f 是新建节点的下一个节点，目前值是头节点的值

　　final Node newNode = new Node<>(null, e, f);

　　// 新建节点成为头节点

　　first = newNode;

　　// 头节点为空，就是链表为空，头尾节点是一个节点

　　if (f == null)

　　last = newNode;

　　//上一个头节点的前一个节点指向当前节点

　　else

　　f.prev = newNode;

　　size++;

　　modCount++;

　　}

　　```

　　头部添加节点和尾部添加节点非常类似，只是前者是移动头节点的 prev 指向，后者是移动尾节点的 next 指向。

　　### 2.2 删除节点

　　节点删除的方式和添加类似，我们可以选择从头部删除，也可以选择从尾部删除，删除操作会把节点的值，前后指向节点都置为 null，帮助 GC 进行回收。

　　**从头部删除**

　　```java

　　//从头删除节点 f 是链表头节点

　　private E unlinkFirst(Node f) {

　　// 拿出头节点的值，作为方法的返回值

　　final E element = f.item;

　　// 拿出头节点的下一个节点

　　final Node next = f.next;

　　//帮助 GC 回收头节点

　　f.item = null;

　　f.next = null;

　　// 头节点的下一个节点成为头节点

　　first = next;

　　//如果 next 为空，表明链表为空

　　if (next == null)

　　last = null;

　　//链表不为空，头节点的前一个节点指向 null

　　else

　　next.prev = null;

　　//修改链表大小和版本

　　size--;

　　modCount++;

　　return element;

　　}

　　```

　　从尾部删除节点的代码也是类似的，这里就不再详细解释了。

　　**从源码中我们可以了解到，链表结构的节点新增、删除都非常简单，仅仅把前后节点的指向修改下就好了，所以 LinkedList 新增和删除速度很快。**

　　### 2.3 查询节点

　　在链表查询某一个节点是比较慢的，因为需要挨个循环查找才行，我们看看 LinkedList 的源码是如何寻找节点的：

　　```java

　　// 根据链表索引位置查询节点

　　Node node(int index) {

　　// 如果 index 处于队列的前半部分，从头开始找，size >> 1 是 size 除以 2 的意思。

　　if (index < (size >> 1)) {

　　Node x = first;

　　// 直到 for 循环到 index 的前一个 node 停止

　　for (int i = 0; i < index; i++)

　　x = x.next;

　　return x;

　　} else {// 如果 index 处于队列的后半部分，从尾开始找

　　Node x = last;

　　// 直到 for 循环到 index 的后一个 node 停止

　　for (int i = size - 1; i > index; i--)

　　x = x.prev;

　　return x;

　　}

　　}

　　```

　　从源码中我们可以发现，LinkedList 并没有采用从头循环到尾的做法，而是采取了简单二分法，首先看看 index 是在链表的前半部分，还是后半部分。如果是前半部分，就从头开始寻找，反之亦然。通过这种方式，使循环的次数至少降低了一半，提高了查找的性能，这种思想值得我们借鉴。

　　### 2.4 迭代器

　　因为 LinkedList 要实现双向的迭代访问，所以我们使用 Iterator 接口肯定不行了，因为 Iterator 只支持从头到尾的访问。Java 新增了一个迭代接口，叫做：ListIterator，这个接口提供了向前和向后的迭代方法，如下所示：

　　| 迭代顺序 | 方法 |

　　| ---------------- | ------------------------------------ |

　　| 从尾到头迭代方法 | hasPrevious、previous、previousIndex |

　　| 从头到尾迭代方法 | hasNext、next、nextIndex |

　　LinkedList 实现了 ListIterator 接口，如下图所示：

　　```java

　　// 双向迭代器

　　private class ListItr implements ListIterator {

　　private Node lastReturned;//上一次执行 next() 或者 previos() 方法时的节点位置

　　private Node next;//下一个节点

　　private int nextIndex;//下一个节点的位置

　　//expectedModCount：期望版本号;modCount：目前最新版本号

　　private int expectedModCount = modCount;

　　…………

　　}

　　```

　　我们先来看下从头到尾方向的迭代：

　　```java

　　// 判断还有没有下一个元素

　　public boolean hasNext() {

　　return nextIndex < size;// 下一个节点的索引小于链表的大小，就有

　　}

　　// 取下一个元素

　　public E next() {

　　//检查期望版本号有无发生变化

　　checkForComodification();

　　if (!hasNext())//再次检查

　　throw new NoSuchElementException();

　　// next 是当前节点，在上一次执行 next() 方法时被赋值的。

　　// 第一次执行时，是在初始化迭代器的时候，next 被赋值的

　　lastReturned = next;

　　// next 是下一个节点了，为下次迭代做准备

　　next = next.next;

　　nextIndex++;

　　return lastReturned.item;

　　}

　　```

　　上述源码的思路就是直接取当前节点的下一个节点，而从尾到头迭代稍微复杂一点，如下：

　　```java

　　// 如果上次节点索引位置大于 0，就还有节点可以迭代

　　public boolean hasPrevious() {

　　return nextIndex > 0;

　　}

　　// 取前一个节点

　　public E previous() {

　　checkForComodification();

　　if (!hasPrevious())

　　throw new NoSuchElementException();

　　// next 为空场景：1:说明是第一次迭代，取尾节点(last);2:上一次操作把尾节点删除掉了

　　// next 不为空场景：说明已经发生过迭代了，直接取前一个节点即可(next.prev)

　　lastReturned = next = (next == null) ? last : next.prev;

　　// 索引位置变化

　　nextIndex--;

　　return lastReturned.item;

　　}

　　```

　　这里复杂点体现在需要判断 next 不为空和为空的场景，代码注释中有详细的描述。

　　**迭代器删除**

　　LinkedList 在删除元素时，也推荐通过迭代器进行删除，删除过程如下：

　　```java

　　public void remove() {

　　checkForComodification();

　　// lastReturned 是本次迭代需要删除的值，分以下空和非空两种情况：

　　// lastReturned 为空，说明调用者没有主动执行过 next() 或者 previos()，直接报错

　　// lastReturned 不为空，是在上次执行 next() 或者 previos()方法时赋的值

　　if (lastReturned == null)

　　throw new IllegalStateException();

　　Node lastNext = lastReturned.next;

　　//删除当前节点

　　unlink(lastReturned);

　　// next == lastReturned 的场景分析：从尾到头递归顺序，并且是第一次迭代，并且要删除最后一个元素的情况下

　　// 这种情况下，previous() 方法里面设置了 lastReturned = next = last,所以 next 和 lastReturned会相等

　　if (next == lastReturned)

　　// 这时候 lastReturned 是尾节点，lastNext 是 null，所以 next 也是 null，这样在 previous() 执行时，发现 next 是 null，就会把尾节点赋值给 next

　　next = lastNext;

　　else

　　nextIndex--;

　　lastReturned = null;

　　expectedModCount++;

　　}

　　```

　　## 总结

　　LinkedList 适用于要求有顺序、并且会按照顺序进行迭代的场景，主要是依赖于底层的链表结构，在面试中的频率还是蛮高的，相信理清楚上面的源码后，应对面试应该没有问题。