介绍
LinkedList 也是Java集合框架的重要组成部分。其中类层次结构如下。
java.lang.Object
继承者 java.util.AbstractCollection
继承者 java.util.AbstractList
继承者 java.util.AbstractSequentialList
继承者 java.util.LinkedList
LinkedList 直接继承于AbstractSequentialList。JDK中对AbstractSequentialList的说明如下：
This class provides a skeletal implementation of the List
interface to minimize the effort required to implement this interface
backed by a “sequential access” data store (such as a linked list). For
random access data (such as an array), AbstractList should be used in preference to this class.
AbstractSequentialList为顺序访问的数据存储结构提供了一个骨架类实现，如果要支持随机访问，则优先选择AbstractList类继承。LinkedList 基于链表实现，因此它继承了AbstractSequentialList。
源码分析
以下源码基于sun JDK 1.7，为了便于理解，对部分源码加了中文注释。
package java.util;
public class LinkedList<E>
extends AbstractSequentialList<E>
implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable
{
// LinkedList中元素个数
transient int size = 0;
//第一个节点（非头节点）
transient Node<E> first;
//末尾节点
transient Node<E> last;
/**
* 默认构造函数：创建一个空的链表
*/
public LinkedList() {
}
/**
* 包含“集合”的构造函数:创建一个包含“集合”的LinkedList
*/
public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
this();
addAll(c);
}
/**
* Links e as first element.
*/
private void linkFirst(E e) {
final Node<E> f = first;
final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
first = newNode;
if (f == null)
last = newNode;
else
f.prev = newNode;
size++;
modCount++;
}
/**
* Links e as last element.
*/
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++;
}
/**
* Inserts element e before non-null Node succ.
*/
void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
// assert succ != null;
final Node<E> pred = succ.prev;
final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
succ.prev = newNode;
if (pred == null)
first = newNode;
else
pred.next = newNode;
size++;
modCount++;
}
/**
* Unlinks non-null first node f.
*/
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;
if (next == null)
last = null;
else
next.prev = null;
size--;
modCount++;
return element;
}
/**
* Unlinks non-null last node l.
*/
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;
if (prev == null)
first = null;
else
prev.next = null;
size--;
modCount++;
return element;
}
/**
* Unlinks non-null node x.
*/
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;
}
//返回链表中第一个元素
public E getFirst() {
final Node<E> f = first;
if (f == null)
throw new NoSuchElementException();
return f.item;
}
//返回链表中最后一个元素
public E getLast() {
final Node<E> l = last;
if (l == null)
throw new NoSuchElementException();
return l.item;
}
/**
* 删除LinkedList的第一个元素
*/
public E removeFirst() {
final Node<E> f = first;
if (f == null)
throw new NoSuchElementException();
return unlinkFirst(f);
}
/**
* 删除LinkedList的最后一个元素
*/
public E removeLast() {
final Node<E> l = last;
if (l == null)
throw new NoSuchElementException();
return unlinkLast(l);
}
/**
* 将元素添加到LinkedList的起始位置
*/
public void addFirst(E e) {
linkFirst(e);
}
/**
* 将元素添加到LinkedList的结束位置
*/
public void addLast(E e) {
linkLast(e);
}
/**
* 判断LinkedList是否包含元素(o)
*/
public boolean contains(Object o) {
return indexOf(o) != -1;
}
/**
* 返回LinkedList的大小
*/
public int size() {
return size;
}
/**
* 将元素(E)添加到LinkedList中
*/
public boolean add(E e) {
linkLast(e);
return true;
}
/**
* 从LinkedList中删除元素(o)
* 从链表开始查找，如存在元素(o)则删除该元素并返回true;
* 否则，返回false。
*/
public boolean remove(Object o) {
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;
}
/**
* 将“集合(c)”添加到LinkedList中。
* 实际上，是从双向链表的末尾开始，将“集合(c)”添加到双向链表中。
*/
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
return addAll(size, c);
}
/**
* 从双向链表的index开始，将“集合(c)”添加到双向链表中。
*/
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;
}
/**
* 清空双向链表
*/
public void clear() {
// Clearing all of the links between nodes is "unnecessary", but:
// - helps a generational GC if the discarded nodes inhabit
// more than one generation
// - is sure to free memory even if there is a reachable Iterator
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++;
}
/**
* 返回LinkedList指定位置的元素
*/
public E get(int index) {
checkElementIndex(index);
return node(index).item;
}
/**
* 设置index位置对应的节点的值为element
*/
public E set(int index, E element) {
checkElementIndex(index);
Node<E> x = node(index);
E oldVal = x.item;
x.item = element;
return oldVal;
}
/**
* 在index前添加节点，且节点的值为element
*/
public void add(int index, E element) {
checkPositionIndex(index);
if (index == size)
linkLast(element);
else
linkBefore(element, node(index));
}
/**
* 删除index位置的节点
*/
public E remove(int index) {
checkElementIndex(index);
return unlink(node(index));
}
//判断索引是否合法
private boolean isElementIndex(int index) {
return index >= 0 && index < size;
}
/**
* Tells if the argument is the index of a valid position for an
* iterator or an add operation.
*/
private boolean isPositionIndex(int index) {
return index >= 0 && index <= size;
}
//越界异常信息封装
private String outOfBoundsMsg(int index) {
return "Index: "+index+", Size: "+size;
}
//检查是否越界
private void checkElementIndex(int index) {
if (!isElementIndex(index))
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
//检查是否位置越界
private void checkPositionIndex(int index) {
if (!isPositionIndex(index))
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
/**
* 返回指定index位置处的Node.
*/
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;
}
}
/**
* 从前向后查找，返回“值为对象(o)的节点对应的索引”
* 不存在就返回-1
*/
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;
}
/**
* // 从后向前查找，返回“值为对象(o)的节点对应的索引”
* // 不存在就返回-1
*/
public int lastIndexOf(Object o) {
int index = size;
if (o == null) {
for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) {
index--;
if (x.item == null)
return index;
}
} else {
for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) {
index--;
if (o.equals(x.item))
return index;
}
}
return -1;
}
// Queue operations.
/**
* 返回第一个节点
* 若LinkedList的大小为0,则返回null
*/
public E peek() {
final Node<E> f = first;
return (f == null) ? null : f.item;
}
/**
* 返回第一个节点
* 若LinkedList的大小为0,则抛出异常
*/
public E element() {
return getFirst();
}
/**
* 删除并返回第一个节点 若LinkedList的大小为0,则返回null
*
*/
public E poll() {
final Node<E> f = first;
return (f == null) ? null : unlinkFirst(f);
}
// 删除并返回第一个节点
// 若LinkedList的大小为0,则返回null
public E remove() {
return removeFirst();
}
// 将e添加双向链表末尾
public boolean offer(E e) {
return add(e);
}
// 将e添加双向链表开头
public boolean offerFirst(E e) {
addFirst(e);
return true;
}
// 将e添加双向链表末尾
public boolean offerLast(E e) {
addLast(e);
return true;
}
// 返回第一个节点
// 若LinkedList的大小为0,则返回null
public E peekFirst() {
final Node<E> f = first;
return (f == null) ? null : f.item;
}
// 返回最后一个节点
// 若LinkedList的大小为0,则返回null
public E peekLast() {
final Node<E> l = last;
return (l == null) ? null : l.item;
}
// 删除并返回第一个节点
// 若LinkedList的大小为0,则返回null
public E pollFirst() {
final Node<E> f = first;
return (f == null) ? null : unlinkFirst(f);
}
// 删除并返回最后一个节点
// 若LinkedList的大小为0,则返回null
public E pollLast() {
final Node<E> l = last;
return (l == null) ? null : unlinkLast(l);
}
// 将e插入到双向链表开头
public void push(E e) {
addFirst(e);
}
// 删除并返回第一个节点
public E pop() {
return removeFirst();
}
// 从LinkedList开始向后查找，删除第一个值为元素(o)的节点
// 从链表开始查找，如存在节点的值为元素(o)的节点，则删除该节点
public boolean removeFirstOccurrence(Object o) {
return remove(o);
}
// 从LinkedList末尾向前查找，删除第一个值为元素(o)的节点
// 从链表开始查找，如存在节点的值为元素(o)的节点，则删除该节点
public boolean removeLastOccurrence(Object o) {
if (o == null) {
for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) {
if (x.item == null) {
unlink(x);
return true;
}
}
} else {
for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) {
if (o.equals(x.item)) {
unlink(x);
return true;
}
}
}
return false;
}
/**
* 返回“index到末尾的全部节点”对应的ListIterator对象(List迭代器)
*/
public ListIterator<E> listIterator(int index) {
checkPositionIndex(index);
return new ListItr(index);
}
// List迭代器
private class ListItr implements ListIterator<E> {
// 上一次返回的节点
private Node<E> lastReturned = null;
// 下一个节点
private Node<E> next;
// 下一个节点对应的索引值
private int nextIndex;
// 期望的改变计数。用来实现fail-fast机制。
private int expectedModCount = modCount;
// 构造函数。
// 从index位置开始进行迭代
ListItr(int index) {
// assert isPositionIndex(index);
next = (index == size) ? null : node(index);
nextIndex = index;
}
// 是否存在下一个元素
public boolean hasNext() {
return nextIndex < size;
}
// 获取下一个元素
public E next() {
checkForComodification();
if (!hasNext())
throw new NoSuchElementException();
lastReturned = next;
next = next.next;
nextIndex++;
return lastReturned.item;
}
// 是否存在上一个元素
public boolean hasPrevious() {
return nextIndex > 0;
}
// 获取上一个元素
public E previous() {
checkForComodification();
if (!hasPrevious())
throw new NoSuchElementException();
lastReturned = next = (next == null) ? last : next.prev;
nextIndex--;
return lastReturned.item;
}
// 获取下一个元素的索引
public int nextIndex() {
return nextIndex;
}
// 获取上一个元素的索引
public int previousIndex() {
return nextIndex - 1;
}
// 删除当前元素。
// 删除双向链表中的当前节点
public void remove() {
checkForComodification();
if (lastReturned == null)
throw new IllegalStateException();
Node<E> lastNext = lastReturned.next;
unlink(lastReturned);
if (next == lastReturned)
next = lastNext;
else
nextIndex--;
lastReturned = null;
expectedModCount++;
}
// 设置当前节点为e
public void set(E e) {
if (lastReturned == null)
throw new IllegalStateException();
checkForComodification();
lastReturned.item = e;
}
// 将e添加到当前节点的前面
public void add(E e) {
checkForComodification();
lastReturned = null;
if (next == null)
linkLast(e);
else
linkBefore(e, next);
nextIndex++;
expectedModCount++;
}
//判断 “modCount和expectedModCount是否相等”，依次来实现fail-fast机制。
final void checkForComodification() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
/**
* 双向链表的节点所对应的数据结构。
* 包含3部分：上一节点，下一节点，当前节点值。
*/
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;
}
}
/**
* 反向迭代器
* @since 1.6
*/
public Iterator<E> descendingIterator() {
return new DescendingIterator();
}
/**
* 反向迭代器实现类。
*/
private class DescendingIterator implements Iterator<E> {
private final ListItr itr = new ListItr(size());
public boolean hasNext() {
return itr.hasPrevious();
}
public E next() {
return itr.previous();
}
public void remove() {
itr.remove();
}
}
@SuppressWarnings("unchecked")
private LinkedList<E> superClone() {
try {
return (LinkedList<E>) super.clone();
} catch (CloneNotSupportedException e) {
throw new InternalError();
}
}
/**
* 克隆函数。返回LinkedList的克隆对象。
*/
public Object clone() {
LinkedList<E> clone = superClone();
// Put clone into "virgin" state
clone.first = clone.last = null;
clone.size = 0;
clone.modCount = 0;
// Initialize clone with our elements
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next)
clone.add(x.item);
return clone;
}
/**
* 返回LinkedList的Object[]数组
*/
public Object[] toArray() {
Object[] result = new Object[size];
int i = 0;
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next)
result[i++] = x.item;
return result;
}
/**
* 返回LinkedList的模板数组。所谓模板数组，即可以将T设为任意的数据类型
*/
@SuppressWarnings("unchecked")
public <T> T[] toArray(T[] a) {
if (a.length < size)
a = (T[])java.lang.reflect.Array.newInstance(
a.getClass().getComponentType(), size);
int i = 0;
Object[] result = a;
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next)
result[i++] = x.item;
if (a.length > size)
a[size] = null;
return a;
}
private static final long serialVersionUID = 876323262645176354L;
/**
* Sjava.io.Serializable的写入函数
* 将LinkedList的“容量，所有的元素值”都写入到输出流中
*/
private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
throws java.io.IOException {
// Write out any hidden serialization magic
s.defaultWriteObject();
// 写入“容量”
s.writeInt(size);
// 将链表中所有节点的数据都写入到输出流中
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next)
s.writeObject(x.item);
}
/**
* java.io.Serializable的读取函数：根据写入方式反向读出
* 先将LinkedList的“容量”读出，然后将“所有的元素值”读出
*/
@SuppressWarnings("unchecked")
private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
// Read in any hidden serialization magic
s.defaultReadObject();
// 从输入流中读取“容量”
int size = s.readInt();
// 从输入流中将“所有的元素值”并逐个添加到链表中
for (int i = 0; i < size; i++)
linkLast((E)s.readObject());
}
}fast-fail 失败机制
Java 容器的一种保护机制，能够防止多个进程同时修改同一个容器的内容。如果在你迭代遍历某个容器的过程中，另一个进程介入其中，并且插入，删除或修改此容器内的某个对象，那么就会出现问题：也许迭代过程已经处理过容器中的该元素了，也许还没处理，也许在调用size()之后容器的尺寸收缩了——还有许多灾难场景。Java容器类类库采用fast-fail机制，它会探查容器上的任何除了你的进程所进行的操作以外的所有变化，一旦它发现其他进程修改了容器，就会立刻抛出ConcurrentModificationException 异常，而不是等到事后来检查问题。
分析
LinkedList 结构大致如下图所示，这是一个基于双向链表的结构。 
- LinkedList 基于双向链表实现，不存在容量不足的问题，没有扩容方法。
- LinkedList中允许元素为null。
- LinkedList 没有同步机制，因此LinkedList也是非同步的。
- LinkedList 基于链表实现，插入和删除效率较高，时间复杂度O（1），查找效率较低，虽然有一个加速操作。
- 注意源码中的
Node<E> node(int index)方法。该方法返回双向链表中指定位置处的节点，而链表中是没有下标索引的，要指定位置出的元素，就要遍历该链表，从源码的实现中，我们看到这里有一个加速动作。源码中先将index与长度size的一半比较，如果indexsize/2，就只从位置size往前遍历到位置index处。这样可以减少一部分不必要的遍历，从而提高一定的效率（实际上效率还是很低）。 - 源码中还实现了栈和队列的操作方法，因此LinkedList 也可以用作栈，队列和双端队列来使用。
对比ArrayList
那么在上篇《Java 集合框架源码分析(一)——ArrayList》中基于数组实现的ArrayList 到底有啥区别，两者的使用场景又是什么？带着这个疑问继续分析。
List只是一个接口，而LinkedList、ArrayList是List接口的不同实现。有很多相似之处。
相同点：均是非同步的实现。
不同点：内部实现机制不同，LinkedList 基于链表，ArrayList基于数组，导致常用操作的性能不同。
首先对比下常用操作的算法复杂度
LinkedList
get(int index) : O(n)
add(E element) : O(1)
add(int index, E element) : O(n)
remove(int index) : O(n)
Iterator.remove() : O(1) <— LinkedList的主要优点
ListIterator.add(E element) is O(1) <— LinkedList的主要优点
ArrayList
get(int index) : O(1) <— ArrayList的主要优点
add(E element) : 基本是O(1) , 因为动态扩容的关系，最差时是 O(n)
add(int index, E element) : 基本是O( n - index) , 因为动态扩容的关系，最差时是 O(n)
remove(int index) : O(n - index) (例如，移除最后一个元素，是 O(1))
Iterator.remove() : O(n - index)
ListIterator.add(E element) : O(n - index)
LinkedList，因为本质是个链表，所以通过Iterator来插入和移除操作的耗时，都是个恒量，但如果要获取某个位置的元素，则要做指针遍历。因此，get操作的耗时会跟List长度有关。
对于ArrayList来说，得益于快速随机访问的特性，获取任意位置元素的耗时，是常量的。但是，如果是add或者remove操作，要分两种情况，如果是在尾部做add，也就是执行add方法（没有index参数），此时不需要移动其他元素，耗时是O(1),但如果不是在尾部做add，也就是执行add(int index, E element),这时候在插入新元素的同时，也要移动该位置后面的所有元素，以为新元素腾出位置，此时耗时是O(n-index)。另外，当List长度超过初始化容量时，会自动生成一个新的array(长度是之前的1.5倍),此时会将旧的array移动到新的array上，这种情况下的耗时是O(n)。
总之，get操作，ArrayList快一些。而add操作，两者差不多。（除非是你希望在List中间插入节点，且维护了一个Iterator指向指定位置，这时候linkedList能快一些，但是，我们更多时候是直接在尾部插入节点，这种特例的情况并不多）在大部分情况下，使用ArrayList会好一些。