## 06 LinkedList 源碼解析 > 智慧，不是死的默念，而是生的沉思。 > ——斯賓諾莎 ## 引導語 LinkedList 適用于集合元素先入先出和先入后出的場景，在隊列源碼中被頻繁使用，面試也經常問到，本小節讓我們通過源碼來加深對 LinkedList 的了解。 ## 1 整體架構 LinkedList 底層數據結構是一個雙向鏈表，整體結構如下圖所示： 上圖代表了一個雙向鏈表結構，鏈表中的每個節點都可以向前或者向后追溯，我們有幾個概念如下： * 鏈表每個節點我們叫做 Node，Node 有 prev 屬性，代表前一個節點的位置，next 屬性，代表后一個節點的位置； * first 是雙向鏈表的頭節點，它的前一個節點是 null。 * last 是雙向鏈表的尾節點，它的后一個節點是 null； * 當鏈表中沒有數據時，first 和 last 是同一個節點，前后指向都是 null； * 因為是個雙向鏈表，只要機器內存足夠強大，是沒有大小限制的。 鏈表中的元素叫做 Node，我們看下 Node 的組成部分： ~~~java private static class Node<E> { E item;// 節點值 Node<E> next; // 指向的下一個節點 Node<E> prev; // 指向的前一個節點 // 初始化參數順序分別是：前一個節點、本身節點值、后一個節點 Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) { this.item = element; this.next = next; this.prev = prev; } } ~~~ ## 2 源碼解析 ### 2.1 追加（新增） 追加節點時，我們可以選擇追加到鏈表頭部，還是追加到鏈表尾部，add 方法默認是從尾部開始追加，addFirst 方法是從頭部開始追加，我們分別來看下兩種不同的追加方式： **從尾部追加（add）** ~~~java // 從尾部開始追加節點 void linkLast(E e) { // 把尾節點數據暫存 final Node<E> l = last; // 新建新的節點，初始化入參含義： // l 是新節點的前一個節點，當前值是尾節點值 // e 表示當前新增節點，當前新增節點后一個節點是 null final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null); // 新建節點追加到尾部 last = newNode; //如果鏈表為空（l 是尾節點，尾節點為空，鏈表即空），頭部和尾部是同一個節點，都是新建的節點 if (l == null) first = newNode; //否則把前尾節點的下一個節點，指向當前尾節點。 else l.next = newNode; //大小和版本更改 size++; modCount++; } ~~~ 從源碼上來看，尾部追加節點比較簡單，只需要簡單地把指向位置修改下即可，我們做個動圖來描述下整個過程：  **從頭部追加（addFirst）** ~~~java // 從頭部追加 private void linkFirst(E e) { // 頭節點賦值給臨時變量 final Node<E> f = first; // 新建節點，前一個節點指向null，e 是新建節點，f 是新建節點的下一個節點，目前值是頭節點的值 final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f); // 新建節點成為頭節點 first = newNode; // 頭節點為空，就是鏈表為空，頭尾節點是一個節點 if (f == null) last = newNode; //上一個頭節點的前一個節點指向當前節點 else f.prev = newNode; size++; modCount++; } ~~~ 頭部追加節點和尾部追加節點非常類似，只是前者是移動頭節點的 prev 指向，后者是移動尾節點的 next 指向。 ### 2.2 節點刪除 節點刪除的方式和追加類似，我們可以選擇從頭部刪除，也可以選擇從尾部刪除，刪除操作會把節點的值，前后指向節點都置為 null，幫助 GC 進行回收。 **從頭部刪除** ~~~java //從頭刪除節點 f 是鏈表頭節點 private E unlinkFirst(Node<E> f) { // 拿出頭節點的值，作為方法的返回值 final E element = f.item; // 拿出頭節點的下一個節點 final Node<E> next = f.next; //幫助 GC 回收頭節點 f.item = null; f.next = null; // 頭節點的下一個節點成為頭節點 first = next; //如果 next 為空，表明鏈表為空 if (next == null) last = null; //鏈表不為空，頭節點的前一個節點指向 null else next.prev = null; //修改鏈表大小和版本 size--; modCount++; return element; } ~~~ 從尾部刪除節點代碼也是類似的，就不貼了。 **從源碼中我們可以了解到，鏈表結構的節點新增、刪除都非常簡單，僅僅把前后節點的指向修改下就好了，所以 LinkedList 新增和刪除速度很快。** ### 2.3 節點查詢 鏈表查詢某一個節點是比較慢的，需要挨個循環查找才行，我們看看 LinkedList 的源碼是如何尋找節點的： ~~~java // 根據鏈表索引位置查詢節點 Node<E> node(int index) { // 如果 index 處于隊列的前半部分，從頭開始找，size >> 1 是 size 除以 2 的意思。 if (index < (size >> 1)) { Node<E> x = first; // 直到 for 循環到 index 的前一個 node 停止 for (int i = 0; i < index; i++) x = x.next; return x; } else {// 如果 index 處于隊列的后半部分，從尾開始找 Node<E> x = last; // 直到 for 循環到 index 的后一個 node 停止 for (int i = size - 1; i > index; i--) x = x.prev; return x; } } ~~~ 從源碼中我們可以發現，LinkedList 并沒有采用從頭循環到尾的做法，而是采取了簡單二分法，首先看看 index 是在鏈表的前半部分，還是后半部分。如果是前半部分，就從頭開始尋找，反之亦然。通過這種方式，使循環的次數至少降低了一半，提高了查找的性能，這種思想值得我們借鑒。 ### 2.4 方法對比 LinkedList 實現了 Queue 接口，在新增、刪除、查詢等方面增加了很多新的方法，這些方法在平時特別容易混淆，在鏈表為空的情況下，返回值也不太一樣，我們列一個表格，方便大家記錄： | 方法含義 | 返回異常 | 返回特殊值 | 底層實現 | | --- | --- | --- | --- | | 新增 | add(e) | offer(e) | 底層實現相同 | | 刪除 | remove() | poll(e) | 鏈表為空時，remove 會拋出異常，poll 返回 null。 | | 查找 | element() | peek() | 鏈表為空時，element 會拋出異常，peek 返回 null。 | PS：Queue 接口注釋建議 add 方法操作失敗時拋出異常，但 LinkedList 實現的 add 方法一直返回 true。 LinkedList 也實現了 Deque 接口，對新增、刪除和查找都提供從頭開始，還是從尾開始兩種方向的方法，比如 remove 方法，Deque 提供了 removeFirst 和 removeLast 兩種方向的使用方式，但當鏈表為空時的表現都和 remove 方法一樣，都會拋出異常。 ### 2.5 迭代器 因為 LinkedList 要實現雙向的迭代訪問，所以我們使用 Iterator 接口肯定不行了，因為 Iterator 只支持從頭到尾的訪問。Java 新增了一個迭代接口，叫做：ListIterator，這個接口提供了向前和向后的迭代方法，如下所示： | 迭代順序 | 方法 | | --- | --- | | 從尾到頭迭代方法 | hasPrevious、previous、previousIndex | | 從頭到尾迭代方法 | hasNext、next、nextIndex | LinkedList 實現了 ListIterator 接口，如下圖所示： ~~~java // 雙向迭代器 private class ListItr implements ListIterator<E> { private Node<E> lastReturned;//上一次執行 next() 或者 previos() 方法時的節點位置 private Node<E> next;//下一個節點 private int nextIndex;//下一個節點的位置 //expectedModCount：期望版本號；modCount：目前最新版本號 private int expectedModCount = modCount; ………… } ~~~ 我們先來看下從頭到尾方向的迭代： ~~~java // 判斷還有沒有下一個元素 public boolean hasNext() { return nextIndex < size;// 下一個節點的索引小于鏈表的大小，就有 } // 取下一個元素 public E next() { //檢查期望版本號有無發生變化 checkForComodification(); if (!hasNext())//再次檢查 throw new NoSuchElementException(); // next 是當前節點，在上一次執行 next() 方法時被賦值的。 // 第一次執行時，是在初始化迭代器的時候，next 被賦值的 lastReturned = next; // next 是下一個節點了，為下次迭代做準備 next = next.next; nextIndex++; return lastReturned.item; } ~~~ 上述源碼的思路就是直接取當前節點的下一個節點，而從尾到頭迭代稍微復雜一點，如下： ~~~java // 如果上次節點索引位置大于 0，就還有節點可以迭代 public boolean hasPrevious() { return nextIndex > 0; } // 取前一個節點 public E previous() { checkForComodification(); if (!hasPrevious()) throw new NoSuchElementException(); // next 為空場景：1:說明是第一次迭代，取尾節點(last);2:上一次操作把尾節點刪除掉了 // next 不為空場景：說明已經發生過迭代了，直接取前一個節點即可(next.prev) lastReturned = next = (next == null) ? last : next.prev; // 索引位置變化 nextIndex--; return lastReturned.item; } ~~~ 這里復雜點體現在需要判斷 next 不為空和為空的場景，代碼注釋中有詳細的描述。 **迭代器刪除** LinkedList 在刪除元素時，也推薦通過迭代器進行刪除，刪除過程如下： ~~~java public void remove() { checkForComodification(); // lastReturned 是本次迭代需要刪除的值，分以下空和非空兩種情況： // lastReturned 為空，說明調用者沒有主動執行過 next() 或者 previos()，直接報錯 // lastReturned 不為空，是在上次執行 next() 或者 previos()方法時賦的值 if (lastReturned == null) throw new IllegalStateException(); Node<E> lastNext = lastReturned.next; //刪除當前節點 unlink(lastReturned); // next == lastReturned 的場景分析：從尾到頭遞歸順序，并且是第一次迭代，并且要刪除最后一個元素的情況下 // 這種情況下，previous() 方法里面設置了 lastReturned = next = last,所以 next 和 lastReturned會相等 if (next == lastReturned) // 這時候 lastReturned 是尾節點，lastNext 是 null，所以 next 也是 null，這樣在 previous() 執行時，發現 next 是 null，就會把尾節點賦值給 next next = lastNext; else nextIndex--; lastReturned = null; expectedModCount++; } ~~~ ## 總結 LinkedList 適用于要求有順序、并且會按照順序進行迭代的場景，主要是依賴于底層的鏈表結構，在面試中的頻率還是蠻高的，相信理清楚上面的源碼后，應對面試應該沒有問題。