第6章 集合框架 - LinkedList源码剖析

1. LinkedList简介

LinkedList是基于双向循环链表（从源码中可以很容易看出）实现的，除了可以当作链表来操作外，它还可以当作栈，队列和双端队列来使用。

LinkedList同样是非线程安全的，只在单线程下适合使用。

LinkedList实现了Serializable接口，因此它支持序列化，能够通过序列化传输，实现了Cloneable接口，能被克隆。

2. LinkedList源码剖析

LinkedList的源码如下（加入了比较详细的注释）

package java.util;    
public class LinkedList<E>    
    extends AbstractSequentialList<E>    
    implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable    
{    
    // 链表的表头，表头不包含任何数据。Entry是个链表类数据结构。    
    private transient Entry<E> header = new Entry<E>(null, null, null);    
    // LinkedList中元素个数    
    private transient int size = 0;    
    // 默认构造函数：创建一个空的链表    
    public LinkedList() {    
        header.next = header.previous = header;    
    }    
    // 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);    
    }    
    // 获取LinkedList的第一个元素    
    public E getFirst() {    
        if (size==0)    
            throw new NoSuchElementException();    
        // 链表的表头header中不包含数据。    
        // 这里返回header所指下一个节点所包含的数据。    
        return header.next.element;    
    }    
    // 获取LinkedList的最后一个元素    
    public E getLast()  {    
        if (size==0)    
            throw new NoSuchElementException();    
        // 由于LinkedList是双向链表；而表头header不包含数据。    
        // 因而，这里返回表头header的前一个节点所包含的数据。    
        return header.previous.element;    
    }    
    // 删除LinkedList的第一个元素    
    public E removeFirst() {    
        return remove(header.next);    
    }    
    // 删除LinkedList的最后一个元素    
    public E removeLast() {    
        return remove(header.previous);    
    }    
    // 将元素添加到LinkedList的起始位置    
    public void addFirst(E e) {    
        addBefore(e, header.next);    
    }    
    // 将元素添加到LinkedList的结束位置    
    public void addLast(E e) {    
        addBefore(e, header);    
    }    
    // 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) {    
        // 将节点(节点数据是e)添加到表头(header)之前。    
        // 即，将节点添加到双向链表的末端。    
        addBefore(e, header);    
        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) {    
            // 若o为null的删除情况    
            for (Entry<E> e = header.next; e != header; e = e.next) {    
                if (e.element==null) {    
                    remove(e);    
                    return true;    
                }    
            }    
        } else {    
            // 若o不为null的删除情况    
            for (Entry<E> e = header.next; e != header; e = e.next) {    
                if (o.equals(e.element)) {    
                    remove(e);    
                    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) {    
        if (index < 0 || index > size)    
            throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+    
                                                ", Size: "+size);    
        Object[] a = c.toArray();    
        // 获取集合的长度    
        int numNew = a.length;    
        if (numNew==0)    
            return false;    
        modCount++;    
        // 设置“当前要插入节点的后一个节点”    
        Entry<E> successor = (index==size ? header : entry(index));    
        // 设置“当前要插入节点的前一个节点”    
        Entry<E> predecessor = successor.previous;    
        // 将集合(c)全部插入双向链表中    
        for (int i=0; i<numNew; i++) {    
            Entry<E> e = new Entry<E>((E)a[i], successor, predecessor);    
            predecessor.next = e;    
            predecessor = e;    
        }    
        successor.previous = predecessor;    
        // 调整LinkedList的实际大小    
        size += numNew;    
        return true;    
    }    
    // 清空双向链表    
    public void clear() {    
        Entry<E> e = header.next;    
        // 从表头开始，逐个向后遍历；对遍历到的节点执行一下操作：    
        // (01) 设置前一个节点为null     
        // (02) 设置当前节点的内容为null     
        // (03) 设置后一个节点为“新的当前节点”    
        while (e != header) {    
            Entry<E> next = e.next;    
            e.next = e.previous = null;    
            e.element = null;    
            e = next;    
        }    
        header.next = header.previous = header;    
        // 设置大小为0    
        size = 0;    
        modCount++;    
    }    
    // 返回LinkedList指定位置的元素    
    public E get(int index) {    
        return entry(index).element;    
    }    
    // 设置index位置对应的节点的值为element    
    public E set(int index, E element) {    
        Entry<E> e = entry(index);    
        E oldVal = e.element;    
        e.element = element;    
        return oldVal;    
    }    
    // 在index前添加节点，且节点的值为element    
    public void add(int index, E element) {    
        addBefore(element, (index==size ? header : entry(index)));    
    }    
    // 删除index位置的节点    
    public E remove(int index) {    
        return remove(entry(index));    
    }    
    // 获取双向链表中指定位置的节点    
    private Entry<E> entry(int index) {    
        if (index < 0 || index >= size)    
            throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+    
                                                ", Size: "+size);    
        Entry<E> e = header;    
        // 获取index处的节点。    
        // 若index < 双向链表长度的1/2,则从前先后查找;    
        // 否则，从后向前查找。    
        if (index < (size >> 1)) {    
            for (int i = 0; i <= index; i++)    
                e = e.next;    
        } else {    
            for (int i = size; i > index; i--)    
                e = e.previous;    
        }    
        return e;    
    }    
    // 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 (Entry e = header.next; e != header; e = e.next) {    
                if (e.element==null)    
                    return index;    
                index++;    
            }    
        } else {    
            for (Entry e = header.next; e != header; e = e.next) {    
                if (o.equals(e.element))    
                    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 (Entry e = header.previous; e != header; e = e.previous) {    
                index--;    
                if (e.element==null)    
                    return index;    
            }    
        } else {    
            for (Entry e = header.previous; e != header; e = e.previous) {    
                index--;    
                if (o.equals(e.element))    
                    return index;    
            }    
        }    
        return -1;    
    }    
    // 返回第一个节点    
    // 若LinkedList的大小为0,则返回null    
    public E peek() {    
        if (size==0)    
            return null;    
        return getFirst();    
    }    
    // 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() {    
        if (size==0)    
            return null;    
        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() {    
        if (size==0)    
            return null;    
        return getFirst();    
    }    
    // 返回最后一个节点    
    // 若LinkedList的大小为0,则返回null    
    public E peekLast() {    
        if (size==0)    
            return null;    
        return getLast();    
    }    
    // 删除并返回第一个节点    
    // 若LinkedList的大小为0,则返回null    
    public E pollFirst() {    
        if (size==0)    
            return null;    
        return removeFirst();    
    }    
    // 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() {    
        if (size==0)    
            return null;    
        return removeLast();    
    }    
    // 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 (Entry<E> e = header.previous; e != header; e = e.previous) {    
                if (e.element==null) {    
                    remove(e);    
                    return true;    
                }    
            }    
        } else {    
            for (Entry<E> e = header.previous; e != header; e = e.previous) {    
                if (o.equals(e.element)) {    
                    remove(e);    
                    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) {    
        return new ListItr(index);    
    }    
    // List迭代器    
    private class ListItr implements ListIterator<E> {    
        // 上一次返回的节点    
        private Entry<E> lastReturned = header;    
        // 下一个节点    
        private Entry<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) {    
            // index的有效性处理    
            if (index < 0 || index > size)    
                throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+ ", Size: "+size);    
            // 若 “index 小于 ‘双向链表长度的一半’”，则从第一个元素开始往后查找；    
            // 否则，从最后一个元素往前查找。    
            if (index < (size >> 1)) {    
                next = header.next;    
                for (nextIndex=0; nextIndex<index; nextIndex++)    
                    next = next.next;    
            } else {    
                next = header;    
                for (nextIndex=size; nextIndex>index; nextIndex--)    
                    next = next.previous;    
            }    
        }    
        // 是否存在下一个元素    
        public boolean hasNext() {    
            // 通过元素索引是否等于“双向链表大小”来判断是否达到最后。    
            return nextIndex != size;    
        }    
        // 获取下一个元素    
        public E next() {    
            checkForComodification();    
            if (nextIndex == size)    
                throw new NoSuchElementException();    
            lastReturned = next;    
            // next指向链表的下一个元素    
            next = next.next;    
            nextIndex++;    
            return lastReturned.element;    
        }    
        // 是否存在上一个元素    
        public boolean hasPrevious() {    
            // 通过元素索引是否等于0，来判断是否达到开头。    
            return nextIndex != 0;    
        }    
        // 获取上一个元素    
        public E previous() {    
            if (nextIndex == 0)    
            throw new NoSuchElementException();    
            // next指向链表的上一个元素    
            lastReturned = next = next.previous;    
            nextIndex--;    
            checkForComodification();    
            return lastReturned.element;    
        }    
        // 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();    
            Entry<E> lastNext = lastReturned.next;    
            try {    
                LinkedList.this.remove(lastReturned);    
            } catch (NoSuchElementException e) {    
                throw new IllegalStateException();    
            }    
            if (next==lastReturned)    
                next = lastNext;    
            else   
                nextIndex--;    
            lastReturned = header;    
            expectedModCount++;    
        }    
        // 设置当前节点为e    
        public void set(E e) {    
            if (lastReturned == header)    
                throw new IllegalStateException();    
            checkForComodification();    
            lastReturned.element = e;    
        }    
        // 将e添加到当前节点的前面    
        public void add(E e) {    
            checkForComodification();    
            lastReturned = header;    
            addBefore(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 Entry<E> {    
        // 当前节点所包含的值    
        E element;    
        // 下一个节点    
        Entry<E> next;    
        // 上一个节点    
        Entry<E> previous;    
        /**   
         * 链表节点的构造函数。   
         * 参数说明：   
         *   element  —— 节点所包含的数据   
         *   next     —— 下一个节点   
         *   previous —— 上一个节点   
         */   
        Entry(E element, Entry<E> next, Entry<E> previous) {    
            this.element = element;    
            this.next = next;    
            this.previous = previous;    
        }    
    }    
    // 将节点(节点数据是e)添加到entry节点之前。    
    private Entry<E> addBefore(E e, Entry<E> entry) {    
        // 新建节点newEntry，将newEntry插入到节点e之前；并且设置newEntry的数据是e    
        Entry<E> newEntry = new Entry<E>(e, entry, entry.previous);    
        newEntry.previous.next = newEntry;    
        newEntry.next.previous = newEntry;    
        // 修改LinkedList大小    
        size++;    
        // 修改LinkedList的修改统计数：用来实现fail-fast机制。    
        modCount++;    
        return newEntry;    
    }    
    // 将节点从链表中删除    
    private E remove(Entry<E> e) {    
        if (e == header)    
            throw new NoSuchElementException();    
        E result = e.element;    
        e.previous.next = e.next;    
        e.next.previous = e.previous;    
        e.next = e.previous = null;    
        e.element = null;    
        size--;    
        modCount++;    
        return result;    
    }    
    // 反向迭代器    
    public Iterator<E> descendingIterator() {    
        return new DescendingIterator();    
    }    
    // 反向迭代器实现类。    
    private class DescendingIterator implements Iterator {    
        final ListItr itr = new ListItr(size());    
        // 反向迭代器是否下一个元素。    
        // 实际上是判断双向链表的当前节点是否达到开头    
        public boolean hasNext() {    
            return itr.hasPrevious();    
        }    
        // 反向迭代器获取下一个元素。    
        // 实际上是获取双向链表的前一个节点    
        public E next() {    
            return itr.previous();    
        }    
        // 删除当前节点    
        public void remove() {    
            itr.remove();    
        }    
    }    
    // 返回LinkedList的Object[]数组    
    public Object[] toArray() {    
    // 新建Object[]数组    
    Object[] result = new Object[size];    
        int i = 0;    
        // 将链表中所有节点的数据都添加到Object[]数组中    
        for (Entry<E> e = header.next; e != header; e = e.next)    
            result[i++] = e.element;    
    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    
    public <T> T[] toArray(T[] a) {    
        // 若数组a的大小 < LinkedList的元素个数(意味着数组a不能容纳LinkedList中全部元素)    
        // 则新建一个T[]数组，T[]的大小为LinkedList大小，并将该T[]赋值给a。    
        if (a.length < size)    
            a = (T[])java.lang.reflect.Array.newInstance(    
                                a.getClass().getComponentType(), size);    
        // 将链表中所有节点的数据都添加到数组a中    
        int i = 0;    
        Object[] result = a;    
        for (Entry<E> e = header.next; e != header; e = e.next)    
            result[i++] = e.element;    
        if (a.length > size)    
            a[size] = null;    
        return a;    
    }    
    // 克隆函数。返回LinkedList的克隆对象。    
    public Object clone() {    
        LinkedList<E> clone = null;    
        // 克隆一个LinkedList克隆对象    
        try {    
            clone = (LinkedList<E>) super.clone();    
        } catch (CloneNotSupportedException e) {    
            throw new InternalError();    
        }    
        // 新建LinkedList表头节点    
        clone.header = new Entry<E>(null, null, null);    
        clone.header.next = clone.header.previous = clone.header;    
        clone.size = 0;    
        clone.modCount = 0;    
        // 将链表中所有节点的数据都添加到克隆对象中    
        for (Entry<E> e = header.next; e != header; e = e.next)    
            clone.add(e.element);    
        return clone;    
    }    
    // java.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 (Entry e = header.next; e != header; e = e.next)    
            s.writeObject(e.element);    
    }    
    // 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    
    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();    
        // 新建链表表头节点    
        header = new Entry<E>(null, null, null);    
        header.next = header.previous = header;    
        // 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++)    
            addBefore((E)s.readObject(), header);    
    }    
}

3. 几点总结

关于LinkedList的源码，给出几点比较重要的总结：

1、从源码中很明显可以看出，LinkedList的实现是基于双向循环链表的，且头结点中不存放数据，如下图;

2、注意两个不同的构造方法。无参构造方法直接建立一个仅包含head节点的空链表，包含Collection的构造方法，先调用无参构造方法建立一个空链表，然后将Collection中的数据加入到链表的尾部后面。

3、在查找和删除某元素时，源码中都划分为该元素为null和不为null两种情况来处理，LinkedList中允许元素为null。

4、LinkedList是基于链表实现的，因此不存在容量不足的问题，所以这里没有扩容的方法。

5、注意源码中的Entry<E> entry(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index<size/2，就只从位置0往后遍历到位置index处，而如果index>size/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）。

6、注意链表类对应的数据结构Entry。如下;

// 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 Entry<E> {    
    // 当前节点所包含的值    
    E element;    
    // 下一个节点    
    Entry<E> next;    
    // 上一个节点    
    Entry<E> previous;    
    /**   
     * 链表节点的构造函数。   
     * 参数说明：   
     *   element  —— 节点所包含的数据   
     *   next     —— 下一个节点   
     *   previous —— 上一个节点   
     */   
    Entry(E element, Entry<E> next, Entry<E> previous) {    
        this.element = element;    
        this.next = next;    
        this.previous = previous;    
    }    
}

7、LinkedList是基于链表实现的，因此插入删除效率高，查找效率低（虽然有一个加速动作）。

8、要注意源码中还实现了栈和队列的操作方法，因此也可以作为栈、队列和双端队列来使用。

原文链接：https://github.com/GeniusVJR/LearningNotes