Java基于JDK 1.8的LinkedList源码详析

前言

上周末我们一起分析了arraylist的源码并进行了一些总结，因为最近在看collection这一块的东西，下面的图也是大致的总结了collection里面重要的接口和类，如果没有意外的话后面基本上每一个都会和大家一起学习学习，所以今天也就和大家一起来看看linkedlist吧！

2，记得首次接触linkedlist还是在大学java的时候，当时说起linkedlist的特性和应用场景：linkedlist基于双向链表适用于增删频繁且查询不频繁的场景，线程不安全的且适用于单线程（这点和arraylist很像）。然后还记得一个很深刻的是可以用linkedlist来实现栈和队列，那让我们一起看一看源码到底是怎么来实现这些特点的

2.1 构造函数

public class linkedlist<e>
 extends abstractsequentiallist<e>
 implements list<e>, deque<e>, cloneable, java.io.serializable
{
 transient int size = 0;
 transient node<e> first;
 transient node<e> last;

 public linkedlist() {
 }

 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;
 }

 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<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;
 }
 }

}

首先我们知道常见的构造是linkedlist()和linkedlist(collection<? extends e> c)两种，然后再来看看我们继承的类和实现的接口

linkedlist 集成abstractsequentiallist抽象类，内部使用listiterator迭代器来实现重要的方法
linkedlist 实现 list 接口，能对它进行队列操作。
linkedlist 实现 deque 接口，即能将linkedlist当作双端队列使用。
linkedlist 实现了cloneable接口，即覆盖了函数clone()，能克隆。
linkedlist 实现java.io.serializable接口，这意味着linkedlist支持序列化，能通过序列化去传输。

可以看到，相对于arraylist，linkedlist多实现了deque接口而少实现了randomaccess接口，且linkedlist继承的是abstractsequentiallist类，而arraylist继承的是abstractlist类。那么我们现在有一个疑问，这些多实现或少实现的接口和类会对我们linkedlist的特点产生影响吗？这里我们先将这个疑问放在心里，我们先走正常的流程，先把linkedlist的源码看完（主要是要解释这些东西看deque的源码，还要去看collections里面的逻辑，我怕扯远了）

　　第5-7行：定义记录元素数量size，因为我们之前说过linkedlist是个双向链表，所以这里定义了链表链表头节点first和链表尾节点last

　　第60-70行：定义一个节点node类，next表示此节点的后置节点，prev表示侧节点的前置节点，element表示元素值

　　第22行：检查当前的下标是否越界，因为是在构造函数中所以我们这边的index为0，且size也为0

　　第24-29行：将集合c转化为数组a，并获取集合的长度；定义节点pred、succ，pred用来记录前置节点，succ用来记录后置节点

　   第70-89行：node()方法是获取linkedlist中第index个元素，且根据index处于前半段还是后半段 进行一个折半，以提升查询效率

　　第30-36行：如果index==size，则将元素追加到集合的尾部，pred = last将前置节点pred指向之前结合的尾节点，如果index！=size表明是插入集合，通过node(index)获取当前要插入index位置的节点，且pred = succ.prev表示将前置节点指向于当前要插入节点位置的前置节点

　　第38-46行：链表批量增加，是靠for循环遍历原数组，依次执行插入节点操作，第40行以前置节点 和 元素值e，构建new一个新节点；第41行如果前置节点是空，说明是头结点，且将成员变量first指向当前节点，如果不是头节点，则将上一个节点的尾节点指向当前新建的节点；第45行将当前的节点为前置节点了，为下次添加节点做准备。这些走完基本上我们的新节点也都创建出来了，可能这块代码有点绕，大家多看看

　　第48-53行：循环结束后，判断如果后置节点是null， 说明此时是在队尾添加的，设置一下队列尾节点last，如果不是在队尾，则更新之前插入位置节点的前节点和当前要插入节点的尾节点

　　第55-56行：修改当前集合数量、修改modcount记录值

　　ok,虽然说是分析的构造函数的源码，但是把node(int index)、addall(int index, collection<? extends e> c)方法也都看了，所以来小结一下：链表批量增加，是靠for循环遍历原数组，依次执行插入节点操作；通过下标index来获取节点node是采用的折半法来提升效率的

2.2 增加元素

常见的方法有以下三种

linkedlist.add(e e)
linkedlist.add(int index, e element)
linkedlist.addall(collection<? extends e> c)

来看看具体的源码

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++;
}

public void add(int index, e element) {
 checkpositionindex(index);

 if (index == size)
  linklast(element);
 else
  linkbefore(element, node(index));
 }

 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++;
 }

public boolean addall(collection<? extends e> c) {
 return addall(size, c);
 }

　　第2、6-16行：创建一个newnode它的prev指向之前队尾节点last，并记录元素值e，之前的队尾节点last的next指向当前节点，size自增，modcount自增

　　第18-20，27-38行：首先去检查下标是否越界，然后判断如果加入的位置刚好位于队尾就和我们add（e element）的逻辑一样了，如果不是则需要通过 node(index)函数定位出当前位于index下标的node，再通过linkbefore()函数创建出newnode将其插入到原先index位置

　　第40-42行：就是我们在构造函数中看过的批量加入元素的方法

　　ok，添加元素也很简单，如果是在队尾进行添加的话只需要创建一个新node将其前置节点指向之前的last，如果是在队中添加节点，首选拆散原先的index-1、index、index+1之间的联系，新建节点插入进去即可。

2.3 删除元素

常见方法有以下这几个方法

linkedlist.remove(int index)
linkedlist.remove(object o)
linkedlist.remove(collection<?> c)

源码如下

public e remove(int index) {
 checkelementindex(index);
 return unlink(node(index));
 }

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;
 }

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;
 }

 public boolean removeall(collection<?> c) {
 objects.requirenonnull(c);
 boolean modified = false;
 iterator<?> it = iterator();
 while (it.hasnext()) {
  if (c.contains(it.next())) {
  it.remove();
  modified = true;
  }
 }
 return modified;
 }

　　第1-4，6-30行：首先根据index通过方法值node(index)来确定出集合中的下标是index的node，咋们主要看unlink()方法，代码感觉很多，其实只是将当前要删除的节点node的头结点的尾节点指向node的尾节点、将node的尾结点的头节点指向node的头节点，可能有点绕（哈哈），看一下代码基本上就可以理解了，然后将下标为index的node置空，供gc回收

　　第32-49行：首先判断一下当前要删除的元素o是否为空，然后进行for循环定位出当前元素值等于o的节点node，然后再走的逻辑就是上面我们看到过的unlink()方法，也很简单，比remove(int index) 多了一步

　　第51-62行：这一块因为涉及到迭代器iterator，而我们linkedlist使用的是listitr，这个后面我们将迭代器的时候一起讲，不过大致的逻辑是都可以看懂的，和我们的arraylist的迭代器方法的含义一样的，可以先那样理解

　　ok，小结一下， 按下标删，也是先根据index找到node，然后去链表上unlink掉这个node。 按元素删，会先去遍历链表寻找是否有该node，考虑到允许null值，所以会遍历两遍，然后再去unlink它。

2.5 修改元素

public e set(int index, e element) {
 checkelementindex(index);
 node<e> x = node(index);
 e oldval = x.item;
 x.item = element;
 return oldval;
 }

只有这一种方法，首先检查下标是否越界，然后根据下标获取当前node，然后修改节点中元素值item，超级简单

2.6 查找元素

public e get(int index) {
 checkelementindex(index);//判断是否越界 [0,size)
 return node(index).item; //调用node()方法 取出 node节点，
}


 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;
 }

 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;
 }

获取元素的源码也很简单，主要是通过node(index)方法获取节点，然后获取元素值，indexof和lastindexof方法的区别在于一个是从头向尾开始遍历，一个是从尾向头开始遍历

2.7 迭代器

public iterator<e> iterator() {
  return listiterator();
 }

public listiterator<e> listiterator() {
  return listiterator(0);
 }

public listiterator<e> listiterator(final int index) {
  rangecheckforadd(index);

  return new listitr(index);
 }

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();
   }
  }
 }

可以看到，其实最后使用的迭代器是使用的listiterator类，且集成自itr，而itr类就是我们昨天arraylist内部使用的类，hasnext()方法和我们之前的一样，判断不等于size大小，然后next()获取元素主要也是e next = get(i);这行代码，这样就又走到我们之前的获取元素的源码当中，获得元素值。

ok，这样我们上面的基本方法都看完了，再来看看我们上面遗留的问题，首先来看deque接口有什么作用，我们来一起看看

deque 是 double ended queue (双端队列) 的缩写,读音和 deck 一样，蛋壳。
deque 继承自 queue,直接实现了它的有 linkedlist, araydeque, concurrentlinkeddeque 等。
deque 支持容量受限的双端队列，也支持大小不固定的。一般双端队列大小不确定。
deque 接口定义了一些从头部和尾部访问元素的方法。比如分别在头部、尾部进行插入、删除、获取元素。　　

public interface deque<e> extends queue<e> {
 void addfirst(e e);//插入头部，异常会报错
 boolean offerfirst(e e);//插入头部，异常不报错
 e getfirst();//获取头部，异常会报错
 e peekfirst();//获取头部，异常不报错
 e removefirst();//移除头部，异常会报错
 e pollfirst();//移除头部，异常不报错

 void addlast(e e);//插入尾部，异常会报错
 boolean offerlast(e e);//插入尾部，异常不报错
 e getlast();//获取尾部，异常会报错
 e peeklast();//获取尾部，异常不报错
 e removelast();//移除尾部，异常会报错
 e polllast();//移除尾部，异常不报错
}

deque也就是一个接口，上面是接口里面的方法，然后了解deque就必须了解queue

public interface queue<e> extends collection<e> {
 //往队列插入元素，如果出现异常会抛出异常
 boolean add(e e);
 //往队列插入元素，如果出现异常则返回false
 boolean offer(e e);
 //移除队列元素，如果出现异常会抛出异常
 e remove();
 //移除队列元素，如果出现异常则返回null
 e poll();
 //获取队列头部元素，如果出现异常会抛出异常
 e element();
 //获取队列头部元素，如果出现异常则返回null
 e peek();
}

然后我们知道linkedlist实现了deque接口，也就是说可以使用linkedlist实现栈和队列的功能，让写写看

package com.ysten.leakcanarytest;

import java.util.collection;
import java.util.linkedlist;

/**
 * desc : 实现栈
 * time : 2018/10/31 0031 19:07
 *
 * @author : wangjitao
 */
public class stack<t>
{
 private linkedlist<t> stack;

 //无参构造函数
 public stack()
 {
  stack=new linkedlist<t>();
 }
 //构造一个包含指定collection中所有元素的栈
 public stack(collection<? extends t> c)
 {
  stack=new linkedlist<t>(c);
 }
 //入栈
 public void push(t t)
 {
  stack.addfirst(t);
 }
 //出栈
 public t pull()
 {
  return stack.remove();
 }
 //栈是否为空
 boolean isempty()
 {
  return stack.isempty();
 }

 //打印栈元素
 public void show()
 {
  for(object o:stack)
   system.out.println(o);
 }
}

测试功能

public static void main(string[] args){
  stack<string> stringstack = new stack<>();
  stringstack.push("1");
  stringstack.push("2");
  stringstack.push("3");
  stringstack.push("4");
  stringstack. show();
 }

打印结果如下：

4
3
2
1

队列的实现类似的，大家可以下来自己写一下，然后继续我们的问题，实现deque接口和实现randomaccess接口有什么区别，我们上面看了deque接口，实现deque接口可以拥有双向链表功能，那我们再来看看randomaccess接口

public interface randomaccess {
}

发现什么都没有，原来randomaccess接口是一个标志接口（marker），然而实现这个接口有什么作用呢？

答案是只要list集合实现这个接口，就能支持快速随机访问，然而又有人问，快速随机访问是什么东西？有什么作用？

google是这样定义的：给可以提供随机访问的list实现去标识一下，这样使用这个list的程序在遍历这种类型的list的时候可以有更高效率。仅此而已。

这时候看一下我们collections类中的binarysearch方法

int binarysearch(list<? extends comparable<? super t>> list, t key) {
  if (list instanceof randomaccess || list.size()<binarysearch_threshold)
   return collections.indexedbinarysearch(list, key);
  else
   return collections.iteratorbinarysearch(list, key);
 }

可以看到这时候去判断了如果当前集合实现了randomaccess接口就会走collections.indexedbinarysearch方法，那么我们来看一下collections.indexedbinarysearch()方法和collections.iteratorbinarysearch()的区别是什么呢？

int indexedbinarysearch(list<? extends comparable<? super t>> list, t key) {
  int low = 0;
  int high = list.size()-1;

  while (low <= high) {
   int mid = (low + high) >>> 1;
   comparable<? super t> midval = list.get(mid);
   int cmp = midval.compareto(key);

   if (cmp < 0)
    low = mid + 1;
   else if (cmp > 0)
    high = mid - 1;
   else
    return mid; // key found
  }
  return -(low + 1); // key not found
 }



int iteratorbinarysearch(list<? extends comparable<? super t>> list, t key)
 {
  int low = 0;
  int high = list.size()-1;
  listiterator<? extends comparable<? super t>> i = list.listiterator();

  while (low <= high) {
   int mid = (low + high) >>> 1;
   comparable<? super t> midval = get(i, mid);
   int cmp = midval.compareto(key);

   if (cmp < 0)
    low = mid + 1;
   else if (cmp > 0)
    high = mid - 1;
   else
    return mid; // key found
  }
  return -(low + 1); // key not found
 }

通过查看源代码，发现实现randomaccess接口的list集合采用一般的for循环遍历，而未实现这接口则采用迭代器

，那现在让我们以linkedlist为例子看一下，通过for循环、迭代器、removefirst和removelast来遍历的效率（之前忘记写这一块了，顺便一块先写了对于linkedlist那种访问效率要高一些）

迭代器遍历

linkedlist linkedlist = new linkedlist();
for(int i = 0; i < 100000; i++){
   linkedlist.add(i);
}
// 迭代器遍历
 long start = system.currenttimemillis();
 iterator iterator = linkedlist.iterator();
 while(iterator.hasnext()){
  iterator.next();
 }
 long end = system.currenttimemillis();
 system.out.println("iterator："+ (end - start) +"ms");

打印结果：iterator：28ms

for循环get遍历

// 顺序遍历(随机遍历)
 long start = system.currenttimemillis();
 for(int i = 0; i < linkedlist.size(); i++){
   linkedlist.get(i);
}
long end = system.currenttimemillis();
system.out.println("for ："+ (end - start) +"ms");

打印结果   for ：6295ms

使用增强for循环

long start = system.currenttimemillis();
for(object i : linkedlist);
long end = system.currenttimemillis();
system.out.println("增强for ："+ (end - start) +"ms");

输出结果 增强for ：6ms

removefirst来遍历

long start = system.currenttimemillis();
while(linkedlist.size() != 0){
   linkedlist.removefirst();
}
long end = system.currenttimemillis();
system.out.println("removefirst ："+ (end - start) +"ms");

输出结果 removefirst ：3ms

综上结果可以看到，遍历linkedlist时，使用removefirst()或removelast()效率最高，而for循环get()效率最低，应避免使用这种方式进行。应当注意的是，使用removefirst()或removelast()遍历时，会删除原始数据，若只单纯的读取，应当选用迭代器方式或增强for循环方式。

ok，上述的都是只针对linkedlist而言测试的，然后我们接着上面的randomaccess接口来讲，看看通过对比arraylist的for循环和迭代器遍历看看访问效率

arraylist的for循环

long start = system.currenttimemillis();
for (int i = 0; i < arraylist.size(); i++) {
   arraylist.get(i);
}
 long end = system.currenttimemillis();
 system.out.println("for ："+ (end - start) +"ms");

输出结果  for  ：3ms

arraylist的迭代遍历

long start = system.currenttimemillis();
iterator iterable = arraylist.iterator() ;
while (iterable.hasnext()){
   iterable.next();
}
 long end = system.currenttimemillis();
 system.out.println("for ："+ (end - start) +"ms");

输出结果 for  ：6ms

所以让我们来综上对比一下

arraylist
    普通for循环：3ms
    迭代器：6ms
linkedlist
    普通for循环：6295ms  
    迭代器：28ms

从上面数据可以看出，arraylist用for循环遍历比iterator迭代器遍历快，linkedlist用iterator迭代器遍历比for循环遍历快,所以对于不同的list实现类，遍历的方式有所不用，randomaccess接口这个空架子的存在，是为了能够更好地判断集合是否arraylist或者linkedlist，从而能够更好选择更优的遍历方式，提高性能！

（在这里突然想起在去年跳槽的时候，有家公司的面试官问我，list集合的哪一种遍历方式要快一些，然后我说我没有每个去试过，结果那位大佬说的是for循环遍历最快，还叫我下去试试，现在想想，只有在集合是arraylist的时候for循环才最快，对于linkedlist来说for循环反而是最慢的，那位大佬，你欠我一声对不起（手动斜眼微笑））

3，上面把我们该看的点都看了，那么我们再来总结总结：

linkedlist 是双向列表，链表批量增加，是靠for循环遍历原数组，依次执行插入节点操作。

arraylist基于数组， linkedlist基于双向链表，对于随机访问， arraylist比较占优势，但linkedlist插入、删除元素比较快，因为只要调整指针的指向。针对特定位置需要遍历时，所以linkedlist在随机访问元素的话比较慢。

linkedlist没有实现自己的 iterator，使用的是 listiterator。

linkedlist需要更多的内存，因为 arraylist的每个索引的位置是实际的数据，而 linkedlist中的每个节点中存储的是实际的数据和前后节点的位置。

linkedlist也是非线程安全的，只有在单线程下才可以使用。为了防止非同步访问，collections类里面提供了synchronizedlist()方法。

总结

以上就是这篇文章的全部内容了，希望本文的内容对大家的学习或者工作具有一定的参考学习价值，如果有疑问大家可以留言交流，谢谢大家对服务器之家的支持。

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