面试老被问LinkedList源码?看看阿里技术官是怎么深度剖析的吧!

技术文章 1年前 (2020) 完美者
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前言

?LinkedList底层是基于双向链表,链表在内存中不是连续的,而是通过引用来关联所有的元素,所以链表的优点在于添加和删除元素比较快,因为只是移动指针,并且不需要判断是否需要扩容,缺点是查询和遍历效率比较低。下面会给大家详细的剖析一下底层源码!

结构

LinkedList 继承关系,核心成员变量,主要构造函数:

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

        // Node,双向链表
        private static class Node<E> {
            E item;// 节点值
            Node<E> next; // 指向的下一个节点
            Node<E> prev; // 指向的前一个节点

            // 初始化参数顺序分别是:前一个节点、本身节点值、后一个节点
            Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
                this.item = element;
                this.next = next;
                this.prev = prev;
            }
        }

        //------------------------成员变量-------------------------------------

        transient int size = 0;

        // 记录头结点,它的前一个结点=null
        transient Node<E> first;

        // 记录尾结点,它的后一个结点=null
        // 当 first = last = null时表示链表为空
        // 当 first = last != null时表示只有一个节点
        transient Node<E> last;

        //--------------------------构造方法-------------------------------------

        public LinkedList() {
        }

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

        // ........
    }

方法解析&api

追加

追加节点时,我们可以选择追加到链表头部,还是追加到链表尾部,add 方法默认是从尾部开始追加,addFirst 方法是从头部开始追加,我们分别来看下两种不同的追加方式:

-add()

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

--linkLast()

    /**
     * 尾插
     * newNode.pre = last
     * last.next = newNode   注:考虑last=null情况(链表为空,这时仅更新头结点即可)
     * last = newNode
    */
    void linkLast(E e) {
        // 把尾节点数据暂存,为last.next做准备,其实改变一下顺序就可以不要这个l了
        final Node<E> l = last;

        final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null); // 1
        last = newNode; // 2

        // 空链表,l=null,l.next报空指针
        if (l == null)
            first = newNode;
        else
            l.next = newNode; // 3

        // size和版本更改
        size++;
        modCount++;
    }

-addFirst()

    public void addFirst(E e) {
            linkFirst(e);
    }

--linkFirst()

    /**
    * 头插
    * newNode.next = first;
    * first.prev = newNode;  注:考虑first=null(链表为空,只用更新last即可)
    * first = newNode;
    */
    private void linkFirst(E e) {
        // 头节点赋值给临时变量
        final Node<E> f = first;

        final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f); // 1

        first = newNode;  // 2

        // 链表为空,f=null, f.prev报空指针
        if (f == null)
            last = newNode;
        else
            f.prev = newNode;  // 3

        // 更新size和版本号
        size++;
        modCount++;
    }

删除

节点删除的方式和追加类似,我们可以删除指定元素,或者从头部(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

-remove()

    /**
    *删除指定元素;找到要删除的节点
    *注:只有链表有这个节点且成功删除才返回true
    */
    public boolean remove(Object o) { 
            if (o == null) {
                for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
                    // null用 == 判断
                    if (x.item == null) {
                        unlink(x);
                        return true;
                    }
                }
            } else {
                for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
                    // 调用equals判断,若传入的类无equals需要重写
                    if (o.equals(x.item)) {
                        unlink(x);
                        return true;
                    }
                }
            }
            return false;  // 链表无要删除元素,或链表为空
    }

注:remove还可以根据索引删除

    public E remove(int index) { 
            checkElementIndex(index); // 链表为空,抛出异常
            return unlink(node(index));
    }

--unlink()

    /**
    * 执行删除
    * x.prev.next = x.next        注:考虑x.prev=null(x是first,直接更新first)
    * x.next.prev = x.prev.prev   注:考虑x.next=null(x是last,直接更新last)
    */
    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;

            // 如果prev=null,则当前节点为头结点
            if (prev == null) {
                // 直接将头结点赋成next
                first = next;
            } else {
                prev.next = next; // 1
                x.prev = null; // 帮助 GC 回收该节点
            }

            // 如果next=null,则当前节点为尾结点
            if (next == null) {
                last = prev;
            } else {
                next.prev = prev; // 2
                x.next = null; // 帮助 GC 回收该节点
            }

            x.item = null; // 帮助 GC 回收该节点

            // 修改size及版本
            size--;
            modCount++;

            return element;
        }

-remove()

    /**
    *删除头节点,队列为空时抛出异常
    */
    public E remove() {
            return removeFirst();
    }

-removeFirst()

    /**
    *删除头节点
    */
    public E removeFirst() {
            final Node<E> f = first;
            if (f == null)
                throw new NoSuchElementException();
            return unlinkFirst(f);
     }

--unLinkFirst()

    /**
    * 执行删除头节点
    * first.next.pre = null;  注:考虑first=null(链表为空), first.next=null(尾结点,即链表仅一个节点)
    * first = first.next;
    */
    private E unlinkFirst(Node<E> f) {

        final E element = f.item; // 拿出头节点的值,作为方法的返回值
        final Node<E> next = f.next; // 拿出头节点的下一个节点

        //帮助 GC 回收头节点
        f.item = null;
        f.next = null;

        first = next;  // 1

        // next为空表示链表只有一个节点
        if (next == null)
            last = null;
        else
            next.prev = null; // 2

        //修改链表大小和版本
        size--;
        modCount++;
        return element;
    }

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。

查询

链表查询某一个节点是比较慢的,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

-get()

    /**
    *根据索引进行查找
    */
    public E get(int index) {
            checkElementIndex(index);
            return node(index).item;
    }

--node()

    Node<E> 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)) {
            // 取头节点
            Node<E> 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
            // 取尾结点
            Node<E> 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

迭代器

因为 LinkedList 要实现双向的迭代访问,所以使用 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

-listIterator()

    /**
    *从指定节点开始迭代,可前可后
    */
    public ListIterator<E> listIterator(int index) {
        checkPositionIndex(index);
        return new ListItr(index);
    }

    /**
    *ListItr,双向迭代器
    */
    private class ListItr implements ListIterator<E> {
        private Node<E> lastReturned;//上一次执行 next() 或者 previos() 方法时的节点位置
        private Node<E> 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;

        ListItr(int index) {
              // assert isPositionIndex(index);
              next = (index == size) ? null : node(index);
              nextIndex = index;
        }
    }

--hasNext()

从前向后迭代

    // 判断还有没有下一个元素,还是通过index和size控制
    public boolean hasNext() {
        return nextIndex < size;// 下一个节点的索引小于链表的大小,就有
    }

---next()

    // 取下一个元素,并后移
    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;
    }

--hasPrevious()

从后向前迭代

    // 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;
    }

---previous()

    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;
    }

----remove()

    /**
    *迭代时,删除当前元素
    */
    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<E> 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
        // 这种情况下,previous()方法里面设置了 lastReturned=next=last,所以 next 和l astReturned 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++;
    }

Queue的实现

LinkedList 实现了 Queue 接口,在新增、删除、查询等方面增加了很多新的方法,这些方法在平时特别容易混淆,在链表为空的情况下,返回值也不太一样,下面列一个表格,方便大家记录:

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PS:Queue 接口注释建议 add 方法操作失败时抛出异常,但 LinkedList 实现的 add 方法一直返回 true。
LinkedList 也实现了 Deque 接口,对新增、删除和查找都提供从头开始,还是从尾开始两种方向的方法,比如 remove 方法,Deque 提供了 removeFirst 和 removeLast 两种方向的使用方式,但当链表为空时的表现都和 remove 方法一样,都会抛出异常。

最后

感谢你看到这里,文章有什么不足还请指正,觉得文章对你有帮助的话记得给我点个赞,每天都会分享java相关技术文章或行业资讯,欢迎大家关注和转发文章!

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原文地址:https://blog.51cto.com/14801695/2531836

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