jdk源码阅读笔记-LinkedList

　　一、LinkedList概述

　　LinkedList的底层数据结构为双向链表结构，与ArrayList相同的是LinkedList也可以存储相同或null的元素。相对于ArrayList来说，LinkedList的插入与删除的速度更快，时间复杂度为O(1),查找的速度就相对比较慢了，因为每次遍历的时候都必须从链表的头部或者链表的尾部开始遍历，时间复杂度为O(n/2)。为了实现快速插入或删除数据，LinkedList在每个节点都维护了一个前继节点和一个后续节点，这是一种典型的以时间换空间的思想。LinkedList同时也可以实现栈与队列的功能。

　　二、LinkedList的结构图

　　在LinkedList中每个节点有会有两个指针，一个指向前一个节点，另一个指向下一个节点。链表的头部的前指针为null，尾部的后指针也为null，因此也可以说明LinkedList（基于jdk1.8）是非循环双向链表结构。源码如下：

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

　　这是一个私有静态内部类

　　三、LinkedList属性

　　1、size: 链表的长度

　　2、first：链表的第一个节点

　　3、last：链表的最后一个节点

transient int size = ;
 
    /**
     * Pointer to first node.
     * Invariant: (first == null && last == null) ||
     *            (first.prev == null && first.item != null)
     */
    transient Node<E> first;
 
    /**
     * Pointer to last node.
     * Invariant: (first == null && last == null) ||
     *            (last.next == null && last.item != null)
     */
    transient Node<E> last;
 
    /**
     * Constructs an empty list.
     */

　　四、添加节点

　　1、链表头部添加新节点

/**
     * Links e as first element.
     *  链接头部
     */
    private void linkFirst(E e) {
        //链表的第一个节点
        final Node<E> f = first;
        //创建节点
        final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
        //将新创建的节点放到链条头部
        first = newNode;
        //当链表为null时，链表头部和尾部都指向新节点
        if (f == null)
            last = newNode;
        else
            f.prev = newNode;//把原本第一个节点的前一个节点指向新的节点
        size++;//链表长度加1
        modCount++;//链表修改次数加1
    }

　　当链表为空的时候比较简单，直接将链表的头部和尾部都指向新节点即可，下面我来说一下在非空的情况下头部插入新节点：

　　2、往链表尾部插入新节点

/**
     * Links e as last element.
     */
    void linkLast(E e) {
        //原来的最后一个节点
        final Node<E> l = last;
        //创建新的节点，next为null
        final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
        //将新节点指向最后一个节点
        last = newNode;
        if (l == null)
            first = newNode;//链表为空时第一个节点也指向新节点
        else
            l.next = newNode;//将原最后一个节点的next指针指向新节点
        size++;
        modCount++;
    }

　　具体流程：

　　3、在指定节点之前插入新节点

/**
     * Inserts element e before non-null Node succ.
     *  指定节点之前插入新节点
     */
    void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
        // assert succ != null;
        //指定的节点的前一个节点
        final Node<E> pred = succ.prev;
        //待插入的新节点，新节点的前一个节点为 指定节点的前一个节点，下一个节点为指定节点
        final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
        //指定节点的前一个节点指向新节点
        succ.prev = newNode;
        if (pred == null)
            first = newNode;//如果指定节点为第一个节点，那么将节点设置为头部
        else
            pred.next = newNode;//否则将前一个的下一个节点指向新节点
        size++;
        modCount++;
    }

流程：

　　

　　五、删除节点

　　1、删除第一个节点

/**
     * Unlinks non-null first node f.
     * 删除第一个节点
     */
    private E unlinkFirst(Node<E> f) {
        // assert f == first && f != null;
        //第一个节点
        final E element = f.item;
        //第一个节点的前一个节点
        final Node<E> next = f.next;
        //将前一个节点和原第一个节点掷为空，方便回收
        f.item = null;
        f.next = null; // help GC
        //把原第一个节点设置成第一个节点
        first = next;
        //链表只有一个节点的情况
        if (next == null)
            last = null;
        else
            next.prev = null;//将原节点的下一个的前一个节点设置为null，因为该节点已经设置为第一个节点，而第一个节点的前一个节点为null
        size--;
        modCount++;
        return element;
    }

　　流程：

　　2、删除链表最后一个节点

/**
     * Unlinks non-null last node l.
     * 删除最后一个节点
     */
    private E unlinkLast(Node<E> l) {
        // assert l == last && l != null;
        //最后一个节点
        final E element = l.item;
        //最后一个节点的前一个节点
        final Node<E> prev = l.prev;
        l.item = null;
        l.prev = null; // help GC
        last = prev;
        //只有一个节点的情况
        if (prev == null)
            first = null;
        else
            prev.next = null;//将前一个节点的下一个节点掷为null
        size--;
        modCount++;
        return element;
    }

　　流程：

　　3、删除指定节点

/**
     * Unlinks non-null node x.
     * 删除指定节点
     */
    E unlink(Node<E> x) {
        // assert x != null;
        //指定节点的数据
        final E element = x.item;
        //指定节点的下一个节点
        final Node<E> next = x.next;
        //指定节点的前一个节点
        final Node<E> prev = x.prev;
 
        //指定节点为第一个节点，将下一个节点设置为第一个节点
        if (prev == null) {
            first = next;
        } else {//否则，将指定节点的前一个节点指向指定节点的下一个节点
            prev.next = next;
            x.prev = null;
        }
        //指定节点为最后一个节点，将前一个节点设置为最后一个节点
        if (next == null) {
            last = prev;
        } else {//否则，
            next.prev = prev;
            x.next = null;
        }
 
        x.item = null;
        size--;
        modCount++;
        return element;
    }

　　流程：

　　六、添加数据

　　1、add方法：

    /**
     * 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) {
        //向链表的最后位置插入一个节点
        linkLast(e);
        return true;
    }

　　2、addFirst方法：

/**
     * Inserts the specified element at the beginning of this list.
     *
     * @param e the element to add
     */
    public void addFirst(E e) {
        linkFirst(e);
    }

　　具体的插入流程可参照第4部分；

　　3、addLast方法：

/**
     * Appends the specified element to the end of this list.
     *
     * <p>This method is equivalent to {@link #add}.
     *
     * @param e the element to add
     */
    public void addLast(E e) {
        linkLast(e);
    }

　　具体流程参照第四部分的linkLast方法解释；

　　七、获取数据

　　获取数据也是分为3个方法，获取链表头部的节点数据，尾部节点数据和其他的节点数据。获取头部和尾部比简单，直接获取first节点或last节点就可以了，这里我们主要看一下是怎么获取其他的节点：

/**
     * Returns the element at the specified position in this list.
     *
     * @param index index of the element to return
     * @return the element at the specified position in this list
     * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
     */
    public E get(int index) {
        checkElementIndex(index);
        return node(index).item;
    }

　　从源码中可以看到，获取其他节点的数据时，是根据下标来获取的，首先先检查输入的index下标是否有越界的嫌疑，然后node方法，下面我们看一下node方法具体实现方式：

    /**
     * Returns the (non-null) Node at the specified element index.
     */
    Node<E> node(int index) {
        // assert isElementIndex(index);
        /**
         * 传入的index如果大于链表长度的一半，那个从链表后面向前遍历
         * 否则，从前面开始遍历
         */
        if (index < (size >> )) {
            Node<E> x = first;
            for (int i = ; i < index; i++)
                x = x.next;
            return x;
        } else {
            Node<E> x = last;
            for (int i = size - ; i > index; i--)
                x = x.prev;
            return x;
        }
    }

　　从代码中可以看到，如果使用get(index)方法时，每一次都需要从头部或尾部开始遍历，效率比较低。如果要遍历LinkedList，也不推荐这种方式。

　　八、删除数据

　　删除数据也是3中方法，只讲删除其他节点数据的方法：

    /**
     * Removes the first occurrence of the specified element from this list,
     * if it is present.  If this list does not contain the element, it is
     * unchanged.  More formally, removes the element with the lowest index
     * {@code i} such that
     * <tt>(o==null&nbsp;?&nbsp;get(i)==null&nbsp;:&nbsp;o.equals(get(i)))</tt>
     * (if such an element exists).  Returns {@code true} if this list
     * contained the specified element (or equivalently, if this list
     * changed as a result of the call).
     *
     * @param o element to be removed from this list, if present
     * @return {@code true} if this list contained the specified element
     */
    public boolean remove(Object o) {
        if (o == null) {//为null的情况，从头部开始查找
            for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
                if (x.item == null) {
                    unlink(x);
                    return true;
                }
            }
        } else {//非null，从头部开始查找，然后删除掉
            for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
                if (o.equals(x.item)) {
                    unlink(x);
                    return true;
                }
            }
        }
        return false;
    }

　　从源码中可以看到，在删除元素的时候是从第一个节点开始一个一个遍历，通过equals方法的来获取到需要删除节点，然后调用unlinke方法将节点删除掉的。

　　九、实现stack相关方法

　　栈的数据结构实现了FIFO的顺序，即先进先出的规则。

　　1、push方法：

/**
     * 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);
    }

　　每次添加数据的时候都是添加到链表头部。

　　2、pop方法：

/**
     * 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
     */
    public E pop() {
        return removeFirst();
    }

　　往栈中获取一个数据，同时也将栈的第一个数据删除。

　　3、peek方法：

    /**
     * Retrieves, but does not remove, the head (first element) of this list.
     *
     * @return the head of this list, or {@code null} if this list is empty
     * @since 1.5
     */
    public E peek() {
        final Node<E> f = first;
        return (f == null) ? null : f.item;
    }

　　查看栈中的第一个数据，跟pop方法的区别是peek方法只是查看数据，并没有删除数据，pop是从栈中弹出一个数据，需要从栈中删除数据。

　　十、实现queue方法

　　队列也是我们在开发的过程经常使用到数据结构，比如消息队列等，队列的特点是每次添加数据的时候都是添加大队列的尾部，获取数据时总是从头部拉取。基于以上特点，我们可以使用LinkedList中的linkLast方式实现数据的添加，使用unLinkfirst方法实现数据的拉取，使用getFisrt方法实现数据的查看，源码如下：

　　1、添加数据：

/**
     * Adds the specified element as the tail (last element) of this list.
     *
     * @param e the element to add
     * @return {@code true} (as specified by {@link Queue#offer})
     * @since 1.5
     */
    public boolean offer(E e) {
        return add(e);
    }

　　2、拉取数据：

/**
     * Retrieves and removes the head (first element) of this list.
     *
     * @return the head of this list, or {@code null} if this list is empty
     * @since 1.5
     */
    public E poll() {
        final Node<E> f = first;
        return (f == null) ? null : unlinkFirst(f);
    }

　　3、查看数据：

/**
     * Retrieves, but does not remove, the head (first element) of this list.
     *
     * @return the head of this list, or {@code null} if this list is empty
     * @since 1.5
     */
    public E peek() {
        final Node<E> f = first;
        return (f == null) ? null : f.item;
    }

　　

　　十一、LinkedList使用注意事项

　　1、LinkedList是非线程安全的，在多线程的环境下可能会发生不可预知的结果，所以在多线程环境中谨慎使用它，可以转换成线程类，或是使用线程安全的集合类来代替LinkedList的使用。

　　2、遍历LinkedList中的数据的时候，切记别使用fori方式（即随机顺序访问get(index)）去遍历，建议使用迭代器或foreach方式遍历。原因在上面的源码中也说到过，可以看一下第七部分数据获取中，使用get(index)方法获取数据时每次都是链表头部或尾部开始遍历，这样是非常不合理的，时间复杂度为O(n^2)。在数据量较小的情况下是没有什么区别，但是数据上去之后，可能会出现程序假死的现象。测试如下：

public static void main(String[] args) throws Exception {
 
        List<Integer> list = new LinkedList<>();
        for (int i = ; i < ; i++) {
            list.add(i);
        }
 
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = ; i < list.size(); i++) {
            list.get(i);
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("使用fori方式所需时间：" + (end - start));
 
        start = System.currentTimeMillis();
        for (Integer integer : list) {
 
        }
        end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("使用foreach方式所需时间：" + (end - start));
        start = System.currentTimeMillis();
        Iterator<Integer> iterator = list.iterator();
        while (iterator.hasNext()){
            Integer next = iterator.next();
        }
        end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("使用迭代器方式所需时间：" + (end - start));
    }

　　三种遍历10万条数据所需要时间：

使用fori方式所需时间：
使用foreach方式所需时间：
使用迭代器方式所需时间：

　　从结果中可以看到，使用迭代器或foreach方式比fori方式快的不是十倍百倍，原因是使用foreach和迭代器的时候每次获取数据后都记录当前的位置index，当下个循环的时候直接在index+1处获取即可，而不需要从新在头部或尾部开始遍历了。

　　十二、总结

　　1、LinkedList是非线程安全的。

　　2、LinkedList可以存储null值或重复的数据。

　　3、LinkedList底层存储结构为双向链式非循环结构，这种结构添加删除的效率高于查询效率。

　　4、与ArrayList相比较，LinkedList的删除添加数据效率要比ArrayList高，查询数据效率低于ArrayList。

　　5、LinkedList可以用于实现stack和queue数据结构，比如：Queue<T> queue = new LinkedList<T>();

　　6、遍历数据时切勿使用随机访问方式遍历，推荐使用foreach或迭代器遍历。

　　7、如果文章中有什么写得不对的地方，欢迎大家指出来。