【Java深入研究】2、JDK 1.8 LinkedList源码解析
LinkedList是一个实现了List接口和Deque接口的双端链表。
有关索引的操作可能从链表头开始遍历到链表尾部，也可能从尾部遍历到链表头部，这取决于看索引更靠近哪一端。
LinkedList不是线程安全的，如果想使LinkedList变成线程安全的，可以使用如下方式：
List list=Collections.synchronizedList(new LinkedList(...));
iterator()和listIterator()返回的迭代器都遵循fail-fast机制。
LinkedList的继承关系如下图所示： 
从上图可以看出LinkedList与ArrayList的不同之处，ArrayList直接继承自AbstractList，而LinkedList继承自AbstractSequentialList，然后再继承自AbstractList。另外，LinkedList还实现了Dequeu接口，双端队列。
内部结构
LinkedList内部是一个双端链表的结构，结构如下图：
从上图可以看出，LinkedList内部是一个双端链表结构，有两个变量，first指向链表头部，last指向链表尾部。
LinkedtList内部的成员变量如下：
transient int size = 0;
transient Node<E> first;
transient Node<E> last;
其中size表示当前链表中的数据个数。下面是Node节点的定义，Node类LinkedList的静态内部类。
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;
}
}
从Node的定义可以看出链表是一个双端链表的结构。
构造方法
LinkedList有两个构造方法，一个用于构造一个空的链表，一个用已有的集合创建链表。如下：
public LinkedList() {
}
public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
this();
addAll(c);//添加集合中所有元素
}
当使用第二个构造方法时，会调用addAll()方法将集合中的元素添加到链表中，添加的操作后面会详细介绍。
添加操作
因为LinkedList即实现了List接口，又实现了Deque接口，所以LinkedList既可以添加将元素添加到尾部，也可以将元素添加到指定索引位置，还可以添加添加整个集合；另外既可以在头部添加，又可以在尾部添加。下面我们分别从List接口和Deque接口分别介绍。
List接口的添加操作
add(E e)
add(E e)用于将元素添加到链表尾部，实现如下:
public boolean add(E e) {
linkLast(e);
return true;
}
void linkLast(E e) {
final Node<E> l = last;//指向链表尾部
final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);//以尾部为前驱节点创建一个新节点
last = newNode;//将链表尾部指向新节点
if (l == null)//如果链表为空，那么该节点既是头节点也是尾节点
first = newNode;
else//链表不为空，那么将该结点作为原链表尾部的后继节点
l.next = newNode;
size++;//增加尺寸
modCount++;
}
从上面代码可以看到，linkLast方法中就是一个链表尾部添加一个双端节点的操作，但是需要注意对链表为空时头节点的处理。
add(int index,E e)
add(int index,E e)用于在指定位置添加元素。实现如下：
public void add(int index, E element) {
checkPositionIndex(index); //检查索引是否处于[0-size]之间
if (index == size)//添加在链表尾部
linkLast(element);
else//添加在链表中间
linkBefore(element, node(index));
}
从上面代码可以看到，主要分为3步：
1. 检查index的范围，否则抛出异常
2. 如果插入位置是链表尾部，那么调用linkLast方法
3. 如果插入位置是链表中间，那么调用linkBefore方法
linkLast方法前面已经讨论了，下面看一下linkBefore的实现。在看linkBefore之前，先看一下node(int index)方法，该方法返回指定位置的节点，实现如下：
Node<E> node(int index) {
// assert isElementIndex(index);
//如果索引位置靠链表前半部分，从头开始遍历
if (index < (size >> 1)) {
Node<E> x = first;
for (int i = 0; i < index; i++)
x = x.next;
return x;
}
//否则，从尾开始遍历
else {
Node<E> x = last;
for (int i = size - 1; i > index; i--)
x = x.prev;
return x;
}
}
从上面可以看到，node(int index)方法将根据index是靠近头部还是尾部选择不同的遍历方向。一旦得到了指定索引位置的节点，再看linkBefore()方法，实现如下：
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++;
}
linkBefore()方法在第二个参数节点之前插入一个新节点。示意图如下：
从上图以及代码可以看到linkBefore主要分三步：
1. 创建newNode节点，将newNode的后继指针指向succ，前驱指针指向pred
2. 将succ的前驱指针指向newNode
3. 根据pred是否为null，进行不同操作。
- 如果pred为null，说明该节点插入在头节点之前，要重置first头节点
- 如果pred不为null，那么直接将pred的后继指针指向newNode即可
addAll方法
addAll有两个重载方法，一个参数的方法表示将集合元素添加到链表尾部，而两个参数的方法指定了开始插入的位置。实现如下：
//将集合插入到链表尾部，即开始索引位置为size
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
return addAll(size, c);
} //将集合从指定位置开始插入
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
//Step 1:检查index范围
checkPositionIndex(index); //Step 2:得到集合的数据
Object[] a = c.toArray();
int numNew = a.length;
if (numNew == 0)
return false; //Step 3：得到插入位置的前驱节点和后继节点
Node<E> pred, succ;
//如果插入位置为尾部，前驱节点为last，后继节点为null
if (index == size) {
succ = null;
pred = last;
}
//否则，调用node()方法得到后继节点，再得到前驱节点
else {
succ = node(index);
pred = succ.prev;
} //Step 4：遍历数据将数据插入
for (Object o : a) {
@SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) o;
//创建新节点
Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, null);
//如果插入位置在链表头部
if (pred == null)
first = newNode;
else
pred.next = newNode;
pred = newNode;
} //如果插入位置在尾部，重置last节点
if (succ == null) {
last = pred;
}
//否则，将插入的链表与先前链表连接起来
else {
pred.next = succ;
succ.prev = pred;
} size += numNew;
modCount++;
return true;
}
从上面的代码可以看到，addAll方法主要分为4步：
1. 检查index索引范围
2. 得到集合数据
3. 得到插入位置的前驱和后继节点
4. 遍历数据，将数据插入到指定位置
Deque接口的添加操作
addFirst(E e)方法
addFirst()方法用于将元素添加到链表头部，其实现如下:
public void addFirst(E e) {
linkFirst(e);
}
private void linkFirst(E e) {
final Node<E> f = first;
final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);//新建节点，以头节点为后继节点
first = newNode;
//如果链表为空，last节点也指向该节点
if (f == null)
last = newNode;
//否则，将头节点的前驱指针指向新节点
else
f.prev = newNode;
size++;
modCount++;
}
从上面的代码看到，实现就是在头节点插入一个节点使新节点成为新节点，但是和linkLast一样需要注意当链表为空时，对last节点的设置。
addLast(E e)方法
addLast()方法用于将元素添加到链表尾部，与add()方法一样。所以实现也一样，如下：
public void addLast(E e) {
linkLast(e);
}
offer(E e)方法
offer(E e)方法用于将数据添加到链表尾部，其内部调用了add(E e)方法，如下：
public boolean offer(E e) {
return add(e);
}
offerFirst(E e)方法
offerFirst()方法用于将数据插入链表头部，与addFirst的区别在于该方法可以返回特定的返回值，而addFirst的返回值为void。
public boolean offerFirst(E e) {
addFirst(e);
return true;
}
offerLast(E e)方法
offerLast()与addLast()的区别和offerFirst()和addFirst()的区别一样，所以这儿就不多说了。
添加操作总结
LinkedList由于实现了List和Deque接口，所以有多种添加方法，下面总结了一下。
- 将数据插入到链表尾部
- boolean add(E e):
- void addLast(E e)
- boolean offerLast(E e)
- 将数据插入到链表头部
- void addFirst(E e)
- boolean offerFirst(E e)
- 将数据插入到指定索引位置
- boolean add(int index,E e)
检索操作
根据位置取数据
获取任意位置的get(int index)方法
get(int index)方法根据指定索引返回数据，如果索引越界，那么会抛出异常。实现如下：
public E get(int index) {
//检查边界
checkElementIndex(index);
return node(index).item;
}
从上面的代码可以看到分为2步：
1. 检查index边界，index>=0&&index
获得位置为0的头节点数据
LinkedList中有多种方法可以获得头节点的数据，实现大同小异，区别在于对链表为空时的处理，是抛出异常还是返回null。主要方法有getFirst()、element()、peek()、peekFirst()、方法。其中getFirst()和element()方法将会在链表为空时，抛出异常，它们的实现如下：
public E getFirst() {
final Node<E> f = first;
if (f == null)
throw new NoSuchElementException();
return f.item;
}
public E element() {
return getFirst();
}
从代码可以看到，element()方法的内部就是使用getFirst()实现的。它们会在链表为空时，抛出NoSuchElementException。下面再看peek()和peekFirst()的实现：
public E peek() {
final Node<E> f = first;
return (f == null) ? null : f.item;
}
public E peekFirst() {
final Node<E> f = first;
return (f == null) ? null : f.item;
}
从代码可以看到，当链表为空时，peek()和peekFirst()方法返回null。
获得位置为size-1的尾节点数据
获得尾节点数据的方法有getLast()和peekLast()。getLast()的实现如下：
public E getLast() {
final Node<E> l = last;
if (l == null)
throw new NoSuchElementException();
return l.item;
}
可以看到，getLast()方法在链表为空时，会抛出NoSuchElementException，而peekLast()则不会，只是会返回null。实现如下：
public E peekLast() {
final Node<E> l = last;
return (l == null) ? null : l.item;
}
根据对象得到索引
根据对象得到索引分为两种，一种是第一个匹配的索引，一个是最后一个匹配的索引，实现的在于一个从前往后遍历，一个从后往前遍历。下面先看idnexOf()方法的实现：
//返回第一个匹配的索引
public int indexOf(Object o) {
int index = 0;
if (o == null) {
//从头往后遍历
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
if (x.item == null)
return index;
index++;
}
} else {
//从头往后遍历
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
if (o.equals(x.item))
return index;
index++;
}
}
return -1;
}
从上面的代码可以看到，LinkedList可以包含null元素，遍历方式都是从前往后，一旦匹配了，就返回索引。
lastIndexOf()方法返回最后一个匹配的索引，实现为从后往前遍历，源码如下：
//返回最后一个匹配的索引
public int lastIndexOf(Object o) {
int index = size;
if (o == null) {
//从后向前遍历
for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) {
index--;
if (x.item == null)
return index;
}
} else {
//从后向前遍历
for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) {
index--;
if (o.equals(x.item))
return index;
}
}
return -1;
}
检查链表是否包含某对象
contains(Object o)方法检查对象o是否存在于链表中，其实现如下：
public boolean contains(Object o) {
return indexOf(o) != -1;
}
从代码可以看到contains()方法调用了indexOf()方法，只要返回结果不是-1，那就说明该对象存在于链表中
检索操作总结
检索操作分为按照位置得到对象以及按照对象得到位置两种方式，其中按照对象得到位置的方法有indexOf()和lastIndexOf()；按照位置得到对象有如下方法：
- 根据任意位置得到数据的get(int index)方法，当index越界会抛出异常
- 获得头节点数据
- getFirst()和element()方法在链表为空时会抛出NoSuchElementException
- peek()和peekFirst()方法在链表为空时会返回null
- 获得尾节点数据
- getLast()在链表为空时会抛出NoSuchElementException
- peekLast()在链表为空时会返回null
删除操作
删除操作分为按照位置删除和按照对象删除，其中按照位置删除的方法又有区别，有的只是返回是否删除成功的标志，有的还需要返回被删除的元素。下面分别讨论。
删除指定对象
当删除指定对象时，只需调用remove(Object o)即可，不过该方法一次只会删除一个匹配的对象，如果删除了匹配对象，返回true，否则false。其实现如下：
public boolean remove(Object o) {
//如果删除对象为null
if (o == null) {
//从前向后遍历
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
//一旦匹配，调用unlink()方法和返回true
if (x.item == null) {
unlink(x);
return true;
}
}
} else {
//从前向后遍历
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
//一旦匹配，调用unlink()方法和返回true
if (o.equals(x.item)) {
unlink(x);
return true;
}
}
}
return false;
}
从代码可以看到，由于LinkedList可以存储null元素，所以对删除对象以是否为null做区分。然后从链表头开始遍历，一旦匹配，就会调用unlink()方法将该节点从链表中移除。下面是unlink()方法的实现：
E unlink(Node<E> x) {
// assert x != null;
final E element = x.item;
final Node<E> next = x.next;//得到后继节点
final Node<E> prev = x.prev;//得到前驱节点
//删除前驱指针
if (prev == null) {
first = next;如果删除的节点是头节点,令头节点指向该节点的后继节点
} else {
prev.next = next;//将前驱节点的后继节点指向后继节点
x.prev = null;
}
//删除后继指针
if (next == null) {
last = prev;//如果删除的节点是尾节点,令尾节点指向该节点的前驱节点
} else {
next.prev = prev;
x.next = null;
}
x.item = null;
size--;
modCount++;
return element;
}
上面的代码可以用如下示意图来解释：
第一步：得到待删除节点的前驱节点和后继节点
第二步：删除前驱节点
第三步：删除后继节点
经过三步，待删除的结点就从链表中脱离了。需要注意的是删除位置是头节点或尾节点时候的处理，上面的示意图没有特别指出。
按照位置删除对象
删除任意位置的对象
boolean remove(int index)方法用于删除任意位置的元素，如果删除成功将返回true，否则返回false。实现如下：
public E remove(int index) {
//检查index范围
checkElementIndex(index);
//将节点删除
return unlink(node(index));
}
从上面可以看到remove(int index)操作有两步：
1. 检查index范围，属于[0,size）
2. 将索引出节点删除
删除头节点的对象
删除头节点的对象的方法有很多，包括remove()、removeFirst()、pop()、poll()、pollFirst()，其中前三个方法在链表为空时将抛出NoSuchElementException，后两个方法在链表为空时将返回null。
remove()、pop()、removeFirst()的实现如下：
public E remove() {
return removeFirst();
}
public E pop() {
return removeFirst();
}
public E removeFirst() {
final Node<E> f = first;
if (f == null)
throw new NoSuchElementException();
return unlinkFirst(f);
}
从上面代码可以看到，remove()和pop()内部调用了removeFirst()方法，而removeFirst()在链表为空时将抛出NoSuchElementException。
下面是poll()和pollFirst()的实现：
public E poll() {
final Node<E> f = first;
return (f == null) ? null : unlinkFirst(f);
}
public E pollFirst() {
final Node<E> f = first;
return (f == null) ? null : unlinkFirst(f);
}
可以看到poll()和pollFirst()的实现代码是相同的，在链表为空时将返回null。
删除尾节点的对象
删除尾节点的对象的方法有removeLast()和pollLast()。removeLast的实现如下：
public E removeLast() {
final Node<E> l = last;
if (l == null)
throw new NoSuchElementException();
return unlinkLast(l);
}
可以看到removeLast()在链表为空时将抛出NoSuchElementException。而pollLast()方法则不会，如下：
public E pollLast() {
final Node<E> l = last;
return (l == null) ? null : unlinkLast(l);
}
可以看到pollLast()在链表为空时会返回null，而不是抛出异常。
删除操作总结
删除操作由很多种方法，有：
- 按照指定对象删除：boolean remove(Object o)，一次只会删除一个匹配的对象
- 按照指定位置删除
- 删除任意位置的对象：E remove(int index),当index越界时会抛出异常
- 删除头节点位置的对象
- 在链表为空时抛出异常：E remove()、E removeFirst()、E pop()
- 在链表为空时返回null：E poll()、E pollFirst()
- 删除尾节点位置的对象
- 在链表为空时抛出异常：E removeLast()
- 在链表为空时返回null：E pollLast()
迭代器操作
LinkedList的iterator()方法内部调用了其listIterator()方法，所以可以只分析listIterator()方法。listIterator()提供了两个重载方法。iterator()方法和listIterator()方法的关系如下：
public Iterator<E> iterator() {
return listIterator();
}
public ListIterator<E> listIterator() {
return listIterator(0);
}
public ListIterator<E> listIterator(int index) {
checkPositionIndex(index);
return new ListItr(index);
}
从上面可以看到三者的关系是iterator()——>listIterator(0)——>listIterator(int index)。最终都会调用listIterator(int index)方法，其中参数表示迭代器开始的位置。在ArrayList源码分析中提到过ListIterator是一个可以指定任意位置开始迭代，并且有两个遍历方法。下面直接看ListItr的实现：
private class ListItr implements ListIterator<E> {
private Node<E> lastReturned;
private Node<E> next;
private int nextIndex;
private int expectedModCount = modCount;//保存当前modCount，确保fail-fast机制
ListItr(int index) {
// assert isPositionIndex(index);
next = (index == size) ? null : node(index);//得到当前索引指向的next节点
nextIndex = index;
}
public boolean hasNext() {
return nextIndex < size;
}
//获取下一个节点
public E next() {
checkForComodification();
if (!hasNext())
throw new NoSuchElementException();
lastReturned = next;
next = next.next;
nextIndex++;
return lastReturned.item;
}
public boolean hasPrevious() {
return nextIndex > 0;
}
//获取前一个节点，将next节点向前移
public E previous() {
checkForComodification();
if (!hasPrevious())
throw new NoSuchElementException();
lastReturned = next = (next == null) ? last : next.prev;
nextIndex--;
return lastReturned.item;
}
public int nextIndex() {
return nextIndex;
}
public int previousIndex() {
return nextIndex - 1;
}
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++;
}
public void set(E e) {
if (lastReturned == null)
throw new IllegalStateException();
checkForComodification();
lastReturned.item = e;
}
public void add(E e) {
checkForComodification();
lastReturned = null;
if (next == null)
linkLast(e);
else
linkBefore(e, next);
nextIndex++;
expectedModCount++;
}
public void forEachRemaining(Consumer<? super E> action) {
Objects.requireNonNull(action);
while (modCount == expectedModCount && nextIndex < size) {
action.accept(next.item);
lastReturned = next;
next = next.next;
nextIndex++;
}
checkForComodification();
}
final void checkForComodification() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
在ListIterator的构造器中，得到了当前位置的节点，就是变量next。next()方法返回当前节点的值并将next指向其后继节点，previous()方法返回当前节点的前一个节点的值并将next节点指向其前驱节点。由于Node是一个双端节点，所以这儿用了一个节点就可以实现从前向后迭代和从后向前迭代。另外在ListIterator初始时，exceptedModCount保存了当前的modCount，如果在迭代期间，有操作改变了链表的底层结构，那么再操作迭代器的方法时将会抛出ConcurrentModificationException。
例子
由于LinkedList是一个实现了Deque的双端队列，所以LinkedList既可以当做Queue，又可以当做Stack，下面的例子将LinkedList成Stack，代码如下：
public class LinkedStack<E> {
private LinkedList<E> linkedList;
public LinkedStack() {
linkedList = new LinkedList<E>();
}
//压入数据
public void push(E e) {
linkedList.push(e);
}
//弹出数据，在Stack为空时将抛出异常
public E pop() {
return linkedList.pop();
}
//检索栈顶数据，但是不删除
public E peek() {
return linkedList.peek();
}
}
在将LinkedList当做Stack时，使用pop()、push()、peek()方法需要注意的是LinkedList内部是将链表头部当做栈顶，链表尾部当做栈底，也就意味着所有的压入、摊入操作都在链表头部进行。
总结
LinkedList是基于双端链表的List，其内部的实现源于对链表的操作，所以适用于频繁增加、删除的情况；该类不是线程安全的；另外，由于LinkedList实现了Queue接口，所以LinkedList不止有队列的接口，还有栈的接口，可以使用LinkedList作为队列和栈的实现。
出处：http://blog.csdn.net/qq_19431333/article/details/54572876
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