Collection框架之LinkedList

1.结构

LinkedList结构和ArrayList结构类似，也实现了List接口，因此LinkedList大多数方法名称我们已经很熟悉了.



LinkedList和ArrayList有着一些重要的性能区别，例如，LinkedList没有ArrayList类的随机访问功能.下图为LinkedList部分方法图:

2.源码分析

2.1 类头

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

其中的Deque接口提供了双向队列需要实现的方法，例如:addFirst(E),addLast(E)等等.

2.2 字段

private static final long serialVersionUID = 876323262645176354L;

transient int size = 0;

transient Node<E> first;

transient Node<E> last;

这其中size,first,last字段都是被transient关键词修饰的，这说明在序列化的时候这三个字段都不会被保存.由此看看LinkedList关于序列化的方法.

private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
throws java.io.IOException {
// Write out any hidden serialization magic
s.defaultWriteObject();

// Write out size
s.writeInt(size);

// Write out all elements in the proper order.
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next)
s.writeObject(x.item);
}

@SuppressWarnings("unchecked")
private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
// Read in any hidden serialization magic
s.defaultReadObject();

// Read in size
int size = s.readInt();

// Read in all elements in the proper order.
for (int i = 0; i < size; i++)
linkLast((E)s.readObject());
}

可以看出，LinkedList在进行序列化的时候只保存了集合元素的大小和元素本身的值而已，反序列化时通过迭代的方式重新创建集合元素.

在上述字段中的Node类型定义如下:

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;
}
}

Node代表LinkedList中的一个元素，item为值，next为下一个元素的引用，prev为上一个元素的引用.

2.3 构造器

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

共有2个方法，其中的addAll方法在后面会提到.在这里的作用是在下标为size的位置添加集合元素，由于新建的LinkedList的size=0，所以就由Collection创建了链表.

2.4 add方法

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++;
}

该方法只要的场景如下，首先最开始新创建时first = last = null,first和last的Node结构图如下:



当执行add(E)添加一个元素后,创建一个新的newNode节点元素，并指定之前元素为last,之后元素为null,并将last指向新元素,代表新加的元素为最后一个.最后通过判断 first和last都指向了newNode.此时first和last的Node结构图如下:



再执行add操作后,结构图为:



从这里看出LinkedList并没有设计成循环列表.

因为add方法没有last.next = first; first.prev = last;

addAll(int index, Collection c) 方法如下:

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;
}

addAll方法先查找需要插入位置的前一个元素，通过迭代将pred.next和newNode进行绑定,最后将原本位置的元素succ.prev设置成最后一个插入的元素.

2.5 remove方法

public E remove(int index) {
checkElementIndex(index);
return unlink(node(index));
}

先看node方法:

Node<E> node(int index) {
// assert isElementIndex(index);

if (index < (size >> 1)) {
Node<E> x = first;
for (int i = 0; i < index; i++)
x = x.next;
return x;
} else {
Node<E> x = last;
for (int i = size - 1; i > index; i--)
x = x.prev;
return x;
}
}

node方法实际是从中间位置开始搜索的，不过由于循环的存在，搜索的时间是跟长度成正比的.

unlink方法:

E unlink(Node<E> x) {
// assert x != null;
final E element = x.item;
final Node<E> next = x.next;
final Node<E> prev = x.prev;

if (prev == null) {
first = next;
} else {
prev.next = next;
x.prev = null;
}

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

x.item = null;
size--;
modCount++;
return element;
}

解除绑定的原理也很简单，就是将指定位置的元素的prev.next指向next，再将指定位置的元素的next.prev指向prev.最后将指定元素致空，方面GC回收.

2.6 indexOf方法

public int indexOf(Object o) {
int index = 0;
if (o == null) {
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
if (x.item == null)
return index;
index++;
}
} else {
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
if (o.equals(x.item))
return index;
index++;
}
}
return -1;
}

LinkedList的indexOf方法也是通过循环的方式进行比较，因此搜索的时间是跟长度成正比的.

其余的方法与其上的方法类似，这里不再举出.

3.总结

LinkedList和ArrayList有着许多相似之处，都继承List接口，都有增删改查操作，而且用起来也差不多，关键在于性能不同.

在上述方法中我们已经察觉到了，LinkedList的add,remove方法在时间数量级上是个常数，而ArrayList在使用add,remove方法时需要扩容或者 使用System.arraycopy方法，时间数量级上并不是个常数，而是跟n成正比.

但在索引位置的时候，LinkedList用过循环遍历的方式，时间数量级上和n成正比，而ArrayList只需简单的elementData[index]就可以了.