集合番@LinkedList一文通（1.7版）

JAVA COLLECTIONS 源码 1.7版本

• 笔者个人博客 kiraSally的掘金个人博客 感谢支持

1.LinkedList的定义

• 继承于AbstractSequentialList的双向链表，可以被当作堆栈、队列或双端队列进行操作
• 有序，非线程安全的双向链表，默认使用尾部插入法
• 适用于频繁新增或删除场景，频繁访问场景请选用ArrayList
• 插入和删除时间复杂为O(1)，其余最差O(n)
• 由于实现Deque接口，双端队列相关方法众多，会专门来讲，这里不多加详述
• 此版本基于JDK1.7

2.LinkedList的数据结构

2.1 类定义

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

• 继承 AbstractSequentialList，能被当作堆栈、队列或双端队列进行操作
• 实现 List 接口，能进行队列操作
• 实现 Deque 接口，能将LinkedList当作双端队列使用
• 实现 Cloneable 接口，重写 clone() ，能克隆(浅拷贝)
• 实现 java.io.Serializable 接口，支持序列化

2.2 重要全局变量

/**
  * 当前链表元素数量
  */
transient int size = 0;
/**
  * Pointer to first node.
  * Invariant: (first == null && last == null) || (first.prev == null && first.item != null)
  * 链表头部节点           
  */
transient Node<E> first;
/**
  * Pointer to last node.
  * Invariant: (first == null && last == null) ||  (last.next == null && last.item != null)
  * 链表尾部节点          
  */
transient Node<E> last;    

2.3 构造器

/**
  * Constructs an empty list.
  * 默认空构造器 -- 注意LinkedList并不提供指定容量的构造器
  */
public LinkedList() {
}
/**
  * Constructs a list containing the elements of the specified
  * collection, in the order they are returned by the collection's iterator.
  * 支持将一个Collection转换成LinkedList
  *
  * @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);
}

2.4 Node

/**
  * 存储对象的结构：
  *     每个Node节点包含了上一个节点和下一个节点的引用，从而构成了双向的链表
  */
private static class Node<E> {
    E item;//存储元素
    Node<E> next;// 指向下一个节点
    Node<E> prev;// 指向上一个节点
    //注意第一个元素是prev，第二个元素才是存储元素即可
    Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
        this.item = element;
        this.next = next;
        this.prev = prev;
    }
}

3.LinkedList的存储

3.1 add方法

/**
  * Appends the specified element to the end of this list.
  * <p>This method is equivalent to {@link #addLast}.
  * 插入一个新元素到链表尾部
  * @param e element to be appended to this list
  * @return {@code true} (as specified by {@link Collection#add}) 返回插入结果
  */
public boolean add(E e) {
    linkLast(e);
    return true;
}
/**
  * 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).
  * 插入一个新元素到指定下标位置，大于该下标的所有元素统一向右移动一位
  * @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) {
    checkPositionIndex(index);//下标边界校验
    if (index == size) //当下标==链表长度时，尾部插入
        linkLast(element);
    else
        linkBefore(element, node(index));//否则，前部插入（起始位置为index）
}

3.2 checkPositionIndex方法

private void checkPositionIndex(int index) {
    if (!isPositionIndex(index))
        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
/**
  * Tells if the argument is the index of a valid position for an iterator or an add operation.
  * 当迭代或插入操作时，需要判断下标的边界
  */
private boolean isPositionIndex(int index) {
    return index >= 0 && index <= size;
}    

3.3 linkLast方法

/**
  * Links e as last element.
  * 将e变为链表的最后一个元素
  */
void linkLast(E e) {
    final Node<E> l = last;
    final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);//注意：新建node的next为null
    last = newNode;//将新建node作为链表尾部节点
    //当原队尾为null时，即链表为空时
    if (l == null)
        first = newNode;//将新建node同时作为链表头部节点
    else
        l.next = newNode;//将原链表尾部节点的next引用指向新建node，形成链表结构
    size++;//当前链表长度+1
    modCount++;//新增操作属于结构性变动，modCount计数+1
}

3.4 linkBefore方法

/**
  * Inserts element e before non-null Node succ.
  * 插入一个新的元素到指定非空节点之前
  */
void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
    // assert succ != null;
    //逻辑与linkLast基本一致，区别在于将last变成prev，将新节点插入到succ节点之前
    final Node<E> pred = succ.prev;
    final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
    succ.prev = newNode;//唯一的区别，将新节点插入到succ节点之前
    if (pred == null)
        first = newNode;
    else
        pred.next = newNode;
    size++;
    modCount++;//插入属于结构性变动，modCount计数+1
}

3.5 linkBefore与空指针

• 如果读者有心的话会发现linkBefore()并没有做空指针判断，而只是提供注释提示，原因在于两点
  

  • 1.调用该方法前会调用 checkPositionIndex(index) 会先校验边界问题，当出现index > size时会抛出IndexOutOfBoundsException，从而终止方法
    
  • 2.接着succ=node(index)，而succ一定非空，理由是node对象非空，空的只是元素而已（允许null值）
    
    

  
  

4.LinkedList的读取

4.1 get方法

/**
  * Returns the element at the specified position in this list.
  * 获取指定下标元素
  * @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; //注意返回不是node，而是item；同时node一定不为null，而item允许为null
}

4.2 checkElementIndex方法

private void checkElementIndex(int index) {
    if (!isElementIndex(index))
        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
/**
  * Tells if the argument is the index of an existing element.
  * 判断当前下标是否存在元素，原理参见`linkBefore`
  * 有心的读者可能发现了：
  * （get）isElementIndex = index >= 0 && index < size;
  * （add）isPositionIndex = index >= 0 && index <= size;
  *  两个方法几乎一致，但有一个很明显的区别： isPositionIndex 多了个index=size的判断！！
  *  由此（从方法名也可知-论方法名的严谨性）可知 ： 
  *     get时下标必须小于size，否则下标越界；
  *     add（指定元素）时 :
  *         当index = size时，采用尾部插入，因为要占据下标为size的位置；
  *         当index < size时，采用前部插入，因为要占据下标为index的位置，同时原位置元素后移；
  */
private boolean isElementIndex(int index) {
    return index >= 0 && index < size;
}

4.3 node方法

/**
  * Returns the (non-null) Node at the specified element index.
  * 返回指定下标的非空node
  *     这里笔者有个疑问：node本身没有动词形式，为何不是getNode？
  * 顺便提一句：nodeJs真的不错！
  */
Node<E> node(int index) {
    // assert isElementIndex(index);
    //值得一提的是，为了提高查询效率，node查询选择使用二分查找法
    //个人观点：但可能因为Josh Bloch大神认为LinkedList并不适合查找，因此只是简单进行了一次二分而已
    if (index < (size >> 1)) { 
        Node<E> x = first; //若在前半边，就从前往后找
        for (int i = 0; i < index; i++)
            x = x.next;
        return x;
    } else {
        Node<E> x = last; //若在后半边，就从后往前找
        for (int i = size - 1; i > index; i--)
            x = x.prev;
        return x;
    }
}

5.LinkedList的移除

5.1 remove方法

/**
  * Retrieves and removes the head (first element) of this list.
  * 默认删除头部节点
  * @return the head of this list
  * @throws NoSuchElementException if this list is empty
  * @since 1.5
  */
public E remove() {
    return removeFirst();
}
/**
  * 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.
  * 根据下标删除元素
  * @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) {
    checkElementIndex(index);//边界校验 index >= 0 && index < size
    return unlink(node(index));//解绑操作
}
/**
  * 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?get(i)==null:;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).
  * 直接移除某个元素：
  *     当该元素不存在，不会发生任何变化
  *     当该元素存在且成功移除时，返回true，否则false
  *     当有重复元素时，只删除第一次出现的同名元素 ：
  *        例如只移除第一次出现的null（即下标最小时出现的null）
  * @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) {
    //虽然跟ArrayList一样需要遍历，但由于不需要调用耗时的`System.arraycopy`，效率更高
    if (o == null) {
        for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
            if (x.item == null) {
                unlink(x);
                return true;
            }
        }
    } else {
        for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
            if (o.equals(x.item)) {
                unlink(x);
                return true;
            }
        }
    }
    return false;
}

5.2 unlink方法

/**
  * Unlinks non-null node x.
  * 解除node链接，主要干了三件事情：
  *     1.解绑当前元素的前后节点链接，前后节点重新绑定关系
  *     2.当前元素的所有属性清空，help gc
  *     3.链表长度-1，modCount计数+1(help fail-fast)
  * @return 返回元素本身 注意是item，而不是node
  */
E unlink(Node<E> x) {
    // assert x != null;
    final E element = x.item;
    final Node<E> next = x.next;//后一位节点
    final Node<E> prev = x.prev;//前一位节点
    //解绑前一位节点
    if (prev == null) {//当前节点位于链表头部
        first = next;//后一位节点放链表头部
    } else {
        //非链表头部
        prev.next = next;//将前一位节点的next指向下一位节点
        x.prev = null;//当前节点的前一位节点清空 ，help gc
    }
    //解绑后一位节点
    if (next == null) {//当前节点位于链表尾部
        last = prev;//前一位节点放链表尾部
    } else {
        //非链表尾部
        next.prev = prev;//将后一位节点的prev指向前一位节点
        x.next = null;//当前节点的后一位节点清空 ，help gc
    }
    x.item = null;//当前节点元素清空
    size--;//链表长度-1
    modCount++;//删除操作属于结构性变动，modCount计数+1
    return element;//返回元素本身
}

5.3 unlinkFirst方法

/**
  * Unlinks non-null first node f.
  * 解绑头部
  */
private E unlinkFirst(Node<E> f) {
    // assert f == first && f != null;
    final E element = f.item;
    final Node<E> next = f.next;
    f.item = null;
    f.next = null; // help GC
    first = next; //下一个节点作为新的头部节点
    if (next == null) //头部已经为null，那么尾部也是null
        last = null; 
    else
        next.prev = null;//新头部节点的prev需要清空，非闭环
    size--;
    modCount++;
    return element;
}

5.4 unlinkLast方法

/**
  * Unlinks non-null last node l.
  * 解绑尾部
  */
private E unlinkLast(Node<E> l) {
    // assert l == last && l != null;
    final E element = l.item;
    final Node<E> prev = l.prev;
    l.item = null;
    l.prev = null; // help GC
    last = prev; //上一个节点作为新的尾部节点
    if (prev == null) //尾部已经为null，那么头部也是null
        first = null;
    else
        prev.next = null;//新尾部节点的next需要清空，非闭环
    size--;
    modCount++;
    return element;
}

6.LinkedList的其他主要API整理

6.1 查找

• 获取头部节点：getFirst()，peekFirst()，peek()，element()
• 获取尾部节点：getLast()，peekLast()
NoSuchElementException：getFirst() 和 getLast()
null：peekFirst() 和 peekLast()
peek() 等同于 peekFirst()，element() 内部调用的 getFirst()

6.2 插入

• 头部插入：addFirst(E e)，offerFirst(E e)
• 尾部插入：addLast(E e)，offerLast(E e)
void：addFirst(E e)、addLast(E e)，push(E e)
boolean：add(E e)、offer(E e)、offerFirst(E e)，offerLast(E e)
linkLast(E e) 等同于 add(E e)，大部分方法底层实现为 linkFirst(E e) 和 linkLast(E e)

6.3 删除

• 头部删除：removeFirst()，poll()，pollFirst()，pop()
• 尾部删除：removeLast()，pollLast()
NoSuchElementException：remove()、removeFirst()，removeLast()，removeLast()
null：poll()、pollFirst()、pollLast()
remove() 等同于 removeFirst()，大部分方法底层实现为 unlinkFirst(Node<E> n) 和 unlinkLast(Node<E> n)
removeLastOccurrence(Object o) 与 remove(Object o)的实现几乎相同，区别前者是倒序查找，后者是正序查找

7.LinkedList的栈实现

• 栈(Stack)是限定仅在一端进行插入和删除运算的线性表
• 根据后进先出(LIFO)原则，顶部称为栈顶(top)，底部称为栈底(bottom)

/**
  * 队列的LinkedList版本简单实现
  * 这里使用first（使用last原理也一样，保证只在一端操作即可）
  */
class Stack<T> {
    LinkedList<T> linkedList = new LinkedList<T>();
    /**
      * 入栈 
      */
    public void push(T v) {
       linkedList.addFirst(v);
    }
    /**
      * 出栈，不删除栈顶元素
      */
    public T peek() {
       return storage.getFirst();
    }
    /**
      * 出栈 ，删除栈顶元素
      */
    public T pop() {
       return storage.removeFirst();
    }
}    

8.LinkedList的队列实现

• 队列(Queue)是限定插入和删除各在一端进行的线性表
• 根据先进先出(FIFO)原则，表中允许插入的一端称为队尾(Rear)，允许删除的一端称为队头(Front)

/**
  * 队列的LinkedList版本简单实现
  * 这里使用队尾插入，对头删除的写法（反过来原理一致，只要保证插入和删除各占一端即可）
  */
class Queue<T> {
    LinkedList<T> linkedList = new LinkedList<T>();
    /**
      * 入队，将指定的元素插入队尾
      */
    public void offer(T v) {
        linkedList.offer(v);
    }
    /**
      * 出队，获取头部元素，但不删除，如果此队列为空，则返回 null
      */
    public T peek() {
        return linkedList.peek();
    }
    /**
      * 出队，获取头部元素，但不删除，如果此队列为空，则抛异常
      */
    public T element() {
        return linkedList.element();
    }
    /**
      * 出队，获取头部元素并删除，如果队列为空，则返回 null
      */
    public T poll() {
        return linkedList.poll();
    }
    /**
      * 出队，获取头部元素并删除，如果队列为空，则抛异常
      */
    public T remove() {
        return linkedList.remove();
    }
}    

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