源码详解数据结构Linked List

摘要：java.util.LinkedList 是 Java 集合框架中的成员之一，底层是基于双向链表实现，集合容量可动态变化的。

本文分享自华为云社区《LinkedList 源码分析》，作者： 陈皮的JavaLib。

LinkedList 简介

java.util.Linked List 是 Java 集合框架中的成员之一，底层是基于双向链表实现，集合容量可动态变化的。它继承自 Abstract Sequential List 抽象类，实现了 List 接口。同时还实现了 Cloneable 和 Serializable 三个标记接口，说明 Array List 是可克隆复制的，可序列化的。

Array List 数组列表底层是基于动态数组实现的，所以优点是能支持快速随机访问，但是增删操作可能会比较慢（因为可能需要进行数组扩容，数据拷贝）。而且数组需要先申请一定的内存空间，可能会造成浪费。而链表列表 LinkedList 的优点是增删操作速度比较快，而且列表存储多少元素就动态申请多少节点来存储，比较节省内存空间。

为何要使用双向链表呢，主要在于遍历效率比单向链表高。例如当我们需要查找指定下标的节点，在指定下标进行增删改操作时，先判断这个位置是靠近头部还是尾部，从而决定从头部还是从尾部开始查找，提高效率。

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

}

2 LinkedList 源码分析

2.1 内部变量

LinkedList 的元素是存储在节点对象中的，节点类是 LinkedList 类的一个内部私有静态类，源码如下所示：

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;
    }
}

LinkedList 中定义了3个变量，一个代表当前列表的元素个数，另外两个变量指向链表的头部和尾部。以及它的父类 AbstractList 中的 modCount 变量，每次对链表的增删改操作都会使它加1。

transient int size = 0;

transient Node<E> first;

transient Node<E> last;

protected transient int modCount = 0;

2.2 构造函数

ArrayList 有2个构造函数，一个无参构造函数，另一个使用指定 Collection 集合来构造集合的构造函数。

无参构造函数，什么都没有操作。

public LinkedList() {}

使用指定 Collection 集合来构造链表，如果 Collection 不能为 null ，否则会抛出 npe 。

public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
    this();
    addAll(c);
}

public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
    return addAll(size, c);
}

public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
    checkPositionIndex(index);

    Object[] a = c.toArray();
    int numNew = a.length;
    if (numNew == 0)
        return false;

    Node<E> pred, succ;
    if (index == size) {
        succ = null;
        pred = last;
    } else {
        succ = node(index);
        pred = succ.prev;
    }

    for (Object o : a) {
        @SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) o;
        Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, null);
        if (pred == null)
            first = newNode;
        else
            pred.next = newNode;
        pred = newNode;
    }

    if (succ == null) {
        last = pred;
    } else {
        pred.next = succ;
        succ.prev = pred;
    }

    size += numNew;
    modCount++;
    return true;
}

2.3 常用方法

• public E getFirst()

获取链表的第一个元素，如果不存在第一个节点，抛出异常。

public E getFirst() {
    final Node<E> f = first;
    if (f == null)
        throw new NoSuchElementException();
    return f.item;
}

• public E getLast()

获取链表的最后一个元素，如果链表为空，则抛出异常。

public E getLast() {
    final Node<E> l = last;
    if (l == null)
        throw new NoSuchElementException();
    return l.item;
}

• public E removeFirst()

删除第一个元素，如果链表为空，则抛出异常。

public E removeFirst() {
    final Node<E> f = first;
    if (f == null)
        throw new NoSuchElementException();
    return unlinkFirst(f);
}

• public E removeLast()

删除最后一个元素，如果链表为空，则抛出异常。

public E removeLast() {
    final Node<E> l = last;
    if (l == null)
        throw new NoSuchElementException();
    return unlinkLast(l);
}

• public void clear()

情况链表，遍历每一个节点，将每一个节点的内部引用都置为 null ，便于进行垃圾回收。

public void clear() {
    for (Node<E> x = first; x != null; ) {
        Node<E> next = x.next;
        x.item = null;
        x.next = null;
        x.prev = null;
        x = next;
    }
    first = last = null;
    size = 0;
    modCount++;
}

• public boolean add(E e)

在链表尾部添加一个元素。

public boolean add(E e) {
    linkLast(e);
    return true;
}

• public Iterator iterator()

获取 list 的迭代器，用于遍历集合中的元素。

public Iterator<E> iterator() {
    return new Itr();
}

• public int size()：返回集合元素个数。
• public boolean contains(Object o)：是否包含某个元素。
• public boolean remove(Object o)：删除某个元素。
• public E get(int index)：获取指定下标的元素。
• public E set(int index, E element)：在指定下标修改元素值。
• public void add(int index, E element)：在指定下标添加元素。

3 常见面试题分析

3.1 LinkedList 是线程安全的吗？

我们通过分析源码可知，对它的任何操作都是没有加锁的，所以在多线程场景下，它是线程不安全的。它适合在非多线程使用场景下，并且增删操作比较多的情况。

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

    LinkedList<String> list = new LinkedList<>();

    Thread thread1 = new Thread(() -> {
      for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        list.add(Thread.currentThread().getName() + i);
      }
    }, "Thread01");
    thread1.start();

    Thread thread2 = new Thread(() -> {
      for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        list.add(Thread.currentThread().getName() + i);
      }
    }, "Thread02");
    thread2.start();

    thread1.join();
    thread2.join();

    System.out.println(list.size()); // 输出不一定是2000，例如1850

}

如果增删操作比较多的话，可以使用 LinkedList ，LinkedList 增删操作速度比较快。

如果需要线程安全的话，可以使用 JDK 集合中的工具类 Collections 提供一个方法 synchronizedList 可以将线程不安全的 List 集合变成线程安全的集合对象，如下所示。

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

    LinkedList<String> list = new LinkedList<>();
    // 封装成线程安全的集合
    List<String> synchronizedList = Collections.synchronizedList(list);

    Thread thread1 = new Thread(() -> {
      for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        synchronizedList.add(Thread.currentThread().getName() + i);
      }
    }, "Thread01");
    thread1.start();

    Thread thread2 = new Thread(() -> {
      for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        synchronizedList.add(Thread.currentThread().getName() + i);
      }
    }, "Thread02");
    thread2.start();

    thread1.join();
    thread2.join();

    System.out.println(synchronizedList.size());

 }

3.2 LinkedList 优缺点

• 优点：增删操作速度快，不仅有头部和尾部双指针，可以根据要操作的下标靠近哪边，从而决定从哪一边开始遍历找到指定的下标。找到位置后，删除和插入操作的时间复杂度为 O(1) 。
• 缺点：不支持快速随机访问，相对 ArrayList 比较慢，但也不是决定的，取决于列表的长度，以及访问的下标位置。

3.3 使用迭代器 Iterator 过程中，可以增删元素吗？

通过源码分析，在获取集合的迭代器方法中，返回的是 AbstractList 抽象类中定义的 ListItr 迭代器对象，在他的父类 Itr 中持有变量 expectedModCount ，在初始化迭代器对象时这个变量的值被赋予此时链表中的操作次数 modCount 。在迭代获取元素时，会检查这两变量是否相等，不相等则抛出并发修改异常。所以不支持在使用迭代器的过程中，对原链表进行增删改操作。但是可以调用迭代器的增删操作。

private class ListItr extends Itr implements ListIterator<E> {
    ListItr(int index) {
        cursor = index;
    }

    public boolean hasPrevious() {
        return cursor != 0;
    }

    public E previous() {
        checkForComodification();
        try {
            int i = cursor - 1;
            E previous = get(i);
            lastRet = cursor = i;
            return previous;
        } catch (IndexOutOfBoundsException e) {
            checkForComodification();
            throw new NoSuchElementException();
        }
    }

    public int nextIndex() {
        return cursor;
    }

    public int previousIndex() {
        return cursor-1;
    }

    public void set(E e) {
        if (lastRet < 0)
            throw new IllegalStateException();
        checkForComodification();

        try {
            AbstractList.this.set(lastRet, e);
            expectedModCount = modCount;
        } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
            throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }

    public void add(E e) {
        checkForComodification();

        try {
            int i = cursor;
            AbstractList.this.add(i, e);
            lastRet = -1;
            cursor = i + 1;
            expectedModCount = modCount;
        } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
            throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }
}
private class Itr implements Iterator<E> {
    /**
     * Index of element to be returned by subsequent call to next.
     */
    int cursor = 0;

    /**
     * Index of element returned by most recent call to next or
     * previous.  Reset to -1 if this element is deleted by a call
     * to remove.
     */
    int lastRet = -1;

    /**
     * The modCount value that the iterator believes that the backing
     * List should have.  If this expectation is violated, the iterator
     * has detected concurrent modification.
     */
    int expectedModCount = modCount;

    public boolean hasNext() {
        return cursor != size();
    }

    public E next() {
        checkForComodification();
        try {
            int i = cursor;
            E next = get(i);
            lastRet = i;
            cursor = i + 1;
            return next;
        } catch (IndexOutOfBoundsException e) {
            checkForComodification();
            throw new NoSuchElementException();
        }
    }

    public void remove() {
        if (lastRet < 0)
            throw new IllegalStateException();
        checkForComodification();

        try {
            AbstractList.this.remove(lastRet);
            if (lastRet < cursor)
                cursor--;
            lastRet = -1;
            expectedModCount = modCount;
        } catch (IndexOutOfBoundsException e) {
            throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }

    final void checkForComodification() {
        if (modCount != expectedModCount)
            throw new ConcurrentModificationException();
    }
}

3.4 LinkedList 可以存储 null 值吗？元素可以重复吗？

LinkedList 底层是由双向链表实现的，并且在添加元素的时候，没有对元素进行值校验，所以可以存储 null 值，并且存储的元素是可以重复的。

public boolean add(E e) {
    linkLast(e);
    return true;
}

void linkLast(E e) {
    final Node<E> l = last;
    final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
    last = newNode;
    if (l == null)
        first = newNode;
    else
        l.next = newNode;
    size++;
    modCount++;
}

3.5 如何边遍历 ArrayList 元素，边删除指定元素？

不支持在遍历的同时对原链表进行操作，会抛出 ConcurrentModificationException 并发修改异常，前面我们提到使用迭代器 Iterator 遍历集合时，不能对集合进行增删操作（会导致 modCount 值变化）。应该使用 Iterator 类的 remove 方法。

package com.chenpi;

import java.util.Iterator;
import java.util.LinkedList;

/**
 * @author 陈皮
 * @version 1.0
 * @description
 * @date 2022/3/1
 */
public class ChenPi {

  public static void main(String[] args) {

    LinkedList<String> list = new LinkedList<>();
    list.add("Java");
    list.add("C++");
    list.add("Python");
    list.add("Lua");

    Iterator<String> iterator = list.iterator();
    while (iterator.hasNext()) {
      String next = iterator.next();
      if ("C++".equals(next)) {
        iterator.remove();
        continue;
      }
      System.out.println(next);
    }

  }
}

// 输出结果如下
Java
Python
Lua

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