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JDK 源码解析 —— 集合（二）链表 LinkedList
2020-11-13
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芋道源码
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本文共 3,825个字，预计阅读需要 13分钟。
> `转载`于【[芋道源码](http://svip.iocoder.cn/)】 ## 1. 概述 LinkedList ，基于节点实现的**双向**链表的 List ，每个节点都指向前一个和后一个节点从而形成链表。 相比 ArrayList 来说，我们日常开发使用 LinkedList 相对比较少。如果胖友打开 IDEA ，搜下项目中 LinkedList 后，会发现使用的少之又少。 ## 2. 类图 LinkedList 实现的接口、继承的抽象类，如下图所示：[](http://static.iocoder.cn/images/JDK/2019_12_04/01.jpg)类图 如下 3 个接口是 ArrayList 一致的： - [`java.util.List`](https://github.com/YunaiV/openjdk/blob/master/src/java.base/share/classes/java/util/List.java) 接口 - [`java.io.Serializable`](https://github.com/YunaiV/openjdk/blob/master/src/java.base/share/classes/java/io/Serializable.java) 接口 - [`java.lang.Cloneable`](https://github.com/YunaiV/openjdk/blob/master/src/java.base/share/classes/java/lang/Cloneable.java) 接口 如下 1 个接口是少于 ArrayList 的： - [`java.util.RandomAccess`](https://github.com/YunaiV/openjdk/blob/master/src/java.base/share/classes/java/util/RandomAccess.java) 接口，LinkedList 不同于 ArrayList 的很大一点，不支持随机访问。 如下 1 个接口是多于 ArrayList 的： - [`java.util.Deque`](https://github.com/YunaiV/openjdk/blob/master/src/java.base/share/classes/java/util/Deque.java) 接口，提供**双端**队列的功能，LinkedList 支持快速的在头尾添加元素和读取元素，所以很容易实现该特性。 > 注意，以为 LinkedList 实现了 Deque 接口，所以我们在 [「5. 添加单个元素」](http://svip.iocoder.cn/JDK/Collection-LinkedList/#) 和 [「7. 移除单个元素」](http://svip.iocoder.cn/JDK/Collection-LinkedList/#) 中，会看到多种方法，胖友可以快速看过去即可。😈 因为确实蛮多的。 > > 也因为实现 Deque 即可以作为队列使用，也可以作为栈使用。当然，作为双端队列，也是可以的。 继承了 [`java.util.AbstractSequentialList`](https://github.com/YunaiV/openjdk/blob/master/src/java.base/share/classes/java/util/AbstractSequentialList.java) 抽象类，它是 AbstractList 的子类，实现了只能**连续**访问“数据存储”（例如说链表）的 `#get(int index)`、`#add(int index, E element)` 等等**随机**操作的方法。可能这样表述有点抽象，胖友点到 [`java.util.AbstractSequentialList`](https://github.com/YunaiV/openjdk/blob/master/src/java.base/share/classes/java/util/AbstractSequentialList.java) 抽象类中看看这几个方法，基于迭代器顺序遍历后，从而实现后续的操作。 - 但是呢，LinkedList 和 ArrayList 多是一个有点“脾气”的小伙子，都为了结合自身的特性，更加高效的实现，多选择了重写了 AbstractSequentialList 的方法，嘿嘿。 - 不过一般情况下，对于支持随机访问数据的继承 AbstractList 抽象类，不支持的继承 AbstractSequentialList 抽象类。 ## 3. 属性 LinkedList 一共有 **3** 个属性。如下图所示： [](http://static.iocoder.cn/images/JDK/2019_12_04/02.jpg)LinkedList > 艿艿：发现自己真是画图鬼才，画的真丑，哈哈哈哈。 - 通过 Node 节点指向前后节点，从而形成双向链表。 - first和last属性：链表的头尾指针。 - 在初始时候，`first` 和 `last` 指向 `null` ，因为此时暂时没有 Node 节点。 - 在添加完首个节点后，创建对应的 Node 节点 `node1` ，前后指向 `null` 。此时，`first` 和 `last` 指向该 Node 节点。 - 继续添加一个节点后，创建对应的 Node 节点 `node2` ，其 `prev = node1` 和 `next = null` ，而 `node1` 的 `prev = null` 和 `next = node2` 。此时，`first` 保持不变，指向 `node1` ，`last` 发生改变，指向 `node2` 。 - `size` 属性：链表的节点数量。通过它进行计数，避免每次需要 List 大小时，需要从头到尾的遍历。 对应代码如下： ``` // LinkedList.java /** * 链表大小 */ transient int size = 0; /** * 头节点 * * Pointer to first node. */ transient Node<E> first; /** * 尾节点 * * Pointer to last node. */ transient Node<E> last; /** * 节点 * * @param <E> 元素泛型 */ private static class Node<E> { /** * 元素 */ E item; /** * 前一个节点 */ Node<E> next; /** * 后一个节点 */ Node<E> prev; Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) { this.item = element; this.next = next; this.prev = prev; } } ``` ## 4. 构造方法 ArrayList 一共有两个构造方法，我们分别来看看。代码如下： ``` public LinkedList() { } public LinkedList(Collection<? extends E> c) { this(); // 添加 c 到链表中 addAll(c); } ``` 相比 ArrayList 来说，因为没有容量一说，所以不需要提供 `#ArrayList(int initialCapacity)` 这样的构造方法。 ## 5. 添加单个元素 `#add(E e)` 方法，**顺序**添加单个元素到链表。代码如下： ``` // LinkedList.java public boolean add(E e) { // <X> 添加末尾 linkLast(e); return true; } void linkLast(E e) { // <1> 记录原 last 节点 final Node<E> l = last; // <2> 创建新节点 // 第一个参数表示，newNode 的前一个节点为 l 。 // 第二个参数表示，e 为元素。 // 第三个参数表示，newNode 的后一个节点为 null 。 final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null); // <3> last 指向新节点 last = newNode; // <4.1> 如果原 last 为 null ，说明 first 也为空，则 first 也指向新节点 if (l == null) first = newNode; // <4.2> 如果原 last 非 null ，说明 first 也非空，则原 last 的 next 指向新节点。 else l.next = newNode; // <5> 增加链表大小 size++; // <6> 增加数组修改次数 modCount++; } ``` - `<X>` 处，调用 `#linkLast(E e)` 方法，将新元素添加到链表的尾巴。所以，`#add(E e)` 方法，实际就是 `#linkLast(E e)` 方法。 - 总体来说，代码实现比较简单。重点就是对 `last` 的处理。 - 相比 ArrayList 来说，无需考虑容量不够时的扩容。 看懂这个方法后，我们来看看 `#add(int index, E element)` 方法，**插入**单个元素到指定位置。代码如下： ``` // LinkedList.java public void add(int index, E element) { // 校验不要超过范围 checkPositionIndex(index); // <1> 如果刚好等于链表大小，直接添加到尾部即可 if (index == size) linkLast(element); // <2> 添加到第 index 的节点的前面 else linkBefore(element, node(index)); } ``` - `<1>` 处，如果刚好等于链表大小，直接调用 `#linkLast(E element)` 方法，添加到尾部即可。 - `<2>` 处，先调用 `#node(int index)` 方法，获得第 `index` 位置的 Node 节点 `node` 。然后，调用 `#linkBefore(E element, Node node)` 方法，将新节点添加到 `node` 的前面。相当于说，`node` 的前一个节点的 `next` 指向新节点，`node` 的 `prev` 指向新节点。 - `#node(int index)` 方法，获得第 `index` 个 Node 节点。代码如下： ``` // LinkedList.java Node<E> node(int index) { // assert isElementIndex(index); // 如果 index 小于 size 的一半，就正序遍历，获得第 index 个节点 if (index < (size >> 1)) { Node<E> x = first; for (int i = 0; i < index; i++) x = x.next; return x; // 如果 index 大于 size 的一半，就倒序遍历，获得第 index 个节点 } else { Node<E> x = last; for (int i = size - 1; i > index; i--) x = x.prev; return x; } } ``` - 这里 LinkedList 做的一个小骚操作，根据 `index` 是否超过链表的一半大小，选择是否使用倒序遍历替代正序遍历，从而减少遍历次数。 - `#linkBefore(E e, Node<E> succ)` 方法，添加元素 `e` 到 `succ` 节点的前面。代码如下： ``` // LinkedList.java void linkBefore(E e, Node<E> succ) { // assert succ != null; // 获得 succ 的前一个节点 final Node<E> pred = succ.prev; // 创建新的节点 newNode final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ); // <Y> 设置 succ 的前一个节点为新节点 succ.prev = newNode; // 如果 pred 为 null ，说明 first 也为空，则 first 也指向新节点 if (pred == null) first = newNode; // 如果 pred 非 null ，说明 first 也为空，则 pred 也指向新节点 else pred.next = newNode; // 增加链表大小 size++; // 增加数组修改次数 modCount++; } ``` - 逻辑上，和 `#linkLast(E e)` 方法差不多。差别在于 `<Y>` 处，设置 `succ` 的前一个节点为新节点。 因为 LinkedList 实现了 Deque 接口，所以它实现了 `#addFirst(E e)` 和 `#addLast(E e)` 方法，分别添加元素到链表的头尾。代码如下： ``` // LinkedList.java 实现 Deque 接口 public void addFirst(E e) { linkFirst(e); } public boolean offerFirst(E e) { addFirst(e); // 调用上面的方法 return true; } public void addLast(E e) { linkLast(e); } public boolean offerLast(E e) { addLast(e); // 调用上面的方法 return true; } ``` - `#linkLast(E e)` 方法，和 `#add(E e)` 方法是一致的，就不哔哔了。 - `#addFirst(E e)` 方法，调用 `#linkFirst(E e)` 方法，添加元素到队头。代码如下： ``` // LinkedList.java private void linkFirst(E e) { // 记录原 first 节点 final Node<E> f = first; // 创建新节点 final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f); // first 指向新节点 first = newNode; // 如果原 first 为空，说明 last 也为空，则 last 也指向新节点 if (f == null) last = newNode; // 如果原 first 非空，说明 last 也非空，则原 first 的 next 指向新节点。 else f.prev = newNode; // 增加链表大小 size++; // 增加数组修改次数 modCount++; } ``` - 逻辑上，和 `#linkLast(E e)` 方法差不多。就不重复哔哔了。 因为 LinkedList 实现了 Queue 接口，所以它实现了 `#push(E e)` 和 `#offer(E e)` 方法，添加元素到链表的头尾。代码如下： ``` // LinkedList.java 实现 Queue 接口 public void push(E e) { addFirst(e); } public boolean offer(E e) { return add(e); } ``` 总的来说，添加单个元素，分成三个情况： - 添加元素到队头 - 添加元素到队尾 - 添加元素到中间 对于链表的操作，代码会比较简洁，胖友如果不太理解，可以在草稿纸上手绘下整个过程。 ## 6. 链表扩容 LinkedList 不存在扩容的需求，因为通过 Node 的前后指向即可。 ## 7. 添加多个元素 `#addAll(Collection<? extends E> c)` 方法，批量添加多个元素。代码如下： ``` // LinkedList.java public boolean addAll(Collection<? extends E> c) { return addAll(size, c); } public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) { checkPositionIndex(index); // <1> 将 c 转成 a 数组 Object[] a = c.toArray(); int numNew = a.length; if (numNew == 0) // 如果无添加元素，直接返回 false 数组未变更 return false; // <2> 获得第 index 位置的节点 succ ，和其前一个节点 pred Node<E> pred, succ; if (index == size) { // 如果 index 就是链表大小，那说明插入队尾，所以 succ 为 null ，pred 为 last 。 succ = null; pred = last; } else { // 如果 index 小于链表大小，则 succ 是第 index 个节点，prev 是 succ 的前一个二节点。 succ = node(index); pred = succ.prev; } // <3> 遍历 a 数组，添加到 pred 的后面 for (Object o : a) { // 创建新节点 @SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) o; Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, null); // 如果 pred 为 null ，说明 first 也为 null ，则直接将 first 指向新节点 if (pred == null) first = newNode; // pred 下一个指向新节点 else pred.next = newNode; // 修改 pred 指向新节点 pred = newNode; } // <4> 修改 succ 和 pred 的指向 if (succ == null) { // 如果 succ 为 null ，说明插入队尾，则直接修改 last 指向最后一个 pred last = pred; } else { // 如果 succ 非 null ，说明插入到 succ 的前面 pred.next = succ; // prev 下一个指向 succ succ.prev = pred; // succes 前一个指向 pred } // <5> 增加链表大小 size += numNew; // <6> 增加数组修改次数 modCount++; // 返回 true 数组有变更 return true; } ``` - `#addAll(Collection<? extends E> c)` 方法，其内部调用的是 `#addAll(int index, Collection<? extends E> c)` 方法，表示在队列之后，继续添加 `c` 集合。 - `<2>` 处，获得第 `index` 位置的节点 `succ` ，和其前一个节点 `pred` 。分成两种情况，胖友自己看注释。实际上，ArrayList 在添加 `c` 集合的时候，也是分成跟 LinkedList 一样的两种情况，只是说 LinkedList 在一个方法统一实现了。 - `<3>` 处，遍历 `a` 数组，添加到 `pred` 的后面。其实，我们可以把 `pred` 理解成“尾巴”，然后不断的指向新节点，而新节点又称为新的 `pred` 尾巴。如此反复插入~ - `<4>` 处，修改 `succ` 和 `pred` 的指向。根据 `<2>` 处分的两种情况，进行处理。 - 😈 虽然很长，但是还是很简单的。 ## 8. 移除单个元素 `#remove(int index)` 方法，移除指定位置的元素，并返回该位置的原元素。代码如下： ``` // LinkedList.java public E remove(int index) { checkElementIndex(index); // 获得第 index 的 Node 节点，然后进行移除。 return unlink(node(index)); } ``` - 首先，调用 `#node(int index)` 方法，获得第 `index` 的 Node 节点。然后偶，调用 `#unlink(Node<E> x)` 方法，移除该节点。 - `#unlink(Node<E> x)` 方法，代码如下： ``` // LinkedList.java E unlink(Node<E> x) { // assert x != null; // <1> 获得 x 的前后节点 prev、next final E element = x.item; final Node<E> next = x.next; final Node<E> prev = x.prev; // <2> 将 prev 的 next 指向下一个节点 if (prev == null) { // <2.1> 如果 prev 为空，说明 first 被移除，则直接将 first 指向 next first = next; } else { // <2.2> 如果 prev 非空 prev.next = next; // prev 的 next 指向 next x.prev = null; // x 的 pre 指向 null } // <3> 将 next 的 prev 指向上一个节点 if (next == null) { // <3.1> 如果 next 为空，说明 last 被移除，则直接将 last 指向 prev last = prev; } else { // <3.2> 如果 next 非空 next.prev = prev; // next 的 prev 指向 prev x.next = null; // x 的 next 指向 null } // <4> 将 x 的 item 设置为 null ，帮助 GC x.item = null; // <5> 减少链表大小 size--; // <6> 增加数组的修改次数 modCount++; return element; } ``` - `<2>` 处，将 `prev` 的 `next` 指向下一个节点。其中，`<2.1>` 处，是移除队头 `first` 的情况。 - `<3>` 处，将 `next` 的 `prev` 指向上一个节点。其中，`<3.1>` 处，如果 `next` 为空，说明队尾 `last` 被移除的情况。 - 其它步骤，胖友自己看看代码注释。 `#remove(Object o)` 方法，移除首个为 `o` 的元素，并返回是否移除到。代码如下： ``` // LinkedList.java public boolean remove(Object o) { if (o == null) { // o 为 null 的情况 // 顺序遍历，找到 null 的元素后，进行移除 for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) { if (x.item == null) { unlink(x); return true; } } } else { // 顺序遍历，找到等于 o 的元素后，进行移除 for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) { if (o.equals(x.item)) { unlink(x); return true; } } } return false; } ``` - 相比 `#remove(int index)` 方法来说，需要去寻找首个等于 `o` 的节点进行移除。当然，最终还是调用 `#unlink(Node<E> x)` 方法，移除该节点。 `#removeFirstOccurrence(Object o)` 和 `#removeLastOccurrence(Object o)` 方法，分别实现移除链表首个节点和最后节点。代码如下： ``` // LinkedList.java 实现 Deque 接口 public boolean removeFirstOccurrence(Object o) { // 移除首个 return remove(o); } public boolean removeLastOccurrence(Object o) { if (o == null) { // o 为 null 的情况 // 倒序遍历，找到 null 的元素后，进行移除 for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) { if (x.item == null) { unlink(x); return true; } } } else { // 倒序遍历，找到等于 o 的元素后，进行移除 for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) { if (o.equals(x.item)) { unlink(x); return true; } } } return false; } ``` `#remove()` 方法，移除链表首个节点。代码如下： ``` // LinkedList.java 实现 Queue 接口 public E remove() { return removeFirst(); } public E removeFirst() { final Node<E> f = first; // <1> 如果链表为空，抛出 NoSuchElementException 异常 if (f == null) throw new NoSuchElementException(); // <2> 移除链表时首个元素 return unlinkFirst(f); } private E unlinkFirst(Node<E> f) { // assert f == first && f != null; final E element = f.item; // 获得 f 的下一个节点 final Node<E> next = f.next; // 设置 f 的 item 为 null ，帮助 GC f.item = null; // 设置 f 的 next 为 null ，帮助 GC f.next = null; // help GC // 修改 fisrt 指向 next first = next; // 修改 next 节点的 prev 指向 null if (next == null) // 如果链表只有一个元素，说明被移除后，队列就是空的，则 last 设置为 null last = null; else next.prev = null; // 链表大小减一 size--; // 增加数组修改次数 modCount++; return element; } ``` - `<1>` 处，如果链表为空，抛出 NoSuchElementException 异常。 - `<2>` 处，移除链表时首个元素。比较简单，胖友自己看看。😈 因为 LinkedList 有 `first` 和 `last` 头尾节点，所以添加和删除操作，都可能需要小心处理。 `#removeLast()` 方法，移除链表最后一个节点。代码如下： ``` // LinkedList.java 实现 Deque 接口 public E removeLast() { final Node<E> l = last; // 如果链表为空，则抛出 NoSuchElementException 移除 if (l == null) throw new NoSuchElementException(); // 移除链表的最后一个元素 return unlinkLast(l); } private E unlinkLast(Node<E> l) { // assert l == last && l != null; final E element = l.item; // 获得 f 的上一个节点 final Node<E> prev = l.prev; // 设置 l 的 item 为 null ，帮助 GC l.item = null; // 设置 l 的 prev 为 null ，帮助 GC l.prev = null; // help GC // 修改 last 指向 prev last = prev; // 修改 prev 节点的 next 指向 null if (prev == null) // 如果链表只有一个元素，说明被移除后，队列就是空的，则 first 设置为 null first = null; else prev.next = null; // 链表大小减一 size--; // 增加数组修改次数 modCount++; return element; } ``` - 和 `#removeFirst()` 方法**相反**，当然实现上是差不多。 `#poll()` 和 `#` 方法，移除链表的头或尾，差异点在于链表为空时候，不会抛出 NoSuchElementException 异常。代码如下： ``` // LinkedList.java 实现 Queue 接口 public E poll() { // 移除头 final Node<E> f = first; return (f == null) ? null : unlinkFirst(f); } public E pop() { return removeFirst(); // 这个方法，如果队列为空，还是会抛出 NoSuchElementException 异常。😈 不知道放在哪里哈。这里来凑凑~ } // LinkedList.java 实现 Deque 接口 public E pollFirst() { // 移除头 final Node<E> f = first; return (f == null) ? null : unlinkFirst(f); } public E pollLast() { // 移除尾 final Node<E> l = last; return (l == null) ? null : unlinkLast(l); } ``` ## 9. 移除多个元素 `#removeAll(Collection<?> c)` 方法，批量移除指定的多个元素。代码如下： ``` // AbstractCollection.java public boolean removeAll(Collection<?> c) { Objects.requireNonNull(c); boolean modified = false; // 获得迭代器 Iterator<?> it = iterator(); // 通过迭代器遍历 while (it.hasNext()) { // 如果 c 中存在该元素，则进行移除 if (c.contains(it.next())) { it.remove(); modified = true; // 标记修改 } } return modified; } ``` - 该方法，是通过父类 AbstractCollection 来实现的，通过迭代器来遍历 LinkedList ，然后判断 `c` 中如果包含，则进行移除。 `#retainAll(Collection<?> c)` 方法，求 LinkedList 和指定多个元素的交集。简单来说，恰好和 `#removeAll(Collection<?> c)` 相反，移除不在 `c` 中的元素。代码如下： ``` // AbstractCollection.java public boolean retainAll(Collection<?> c) { Objects.requireNonNull(c); boolean modified = false; // 获得迭代器 Iterator<E> it = iterator(); // 通过迭代器遍历 while (it.hasNext()) { // <X> 如果 c 中不存在该元素，则进行移除 if (!c.contains(it.next())) { it.remove(); modified = true; } } return modified; } ``` - 逻辑比较简单，`<X>` 处的判断条件进行了调整。 ## 10. 查找单个元素 `#indexOf(Object o)` 方法，查找首个为指定元素的位置。代码如下： ``` // LinkedList.java public int indexOf(Object o) { int index = 0; if (o == null) { // 如果 o 为 null 的情况 // 顺序遍历，如果 item 为 null 的节点，进行返回 for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) { if (x.item == null) return index; // 找到 index++; } } else { // 如果 o 非 null 的情况 // 顺序遍历，如果 item 为 o 的节点，进行返回 for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) { if (o.equals(x.item)) return index; // 找到 index++; } } // 未找到 return -1; } ``` 而 `#contains(Object o)` 方法，就是基于该方法实现。代码如下： ``` // LinkedList.java public boolean contains(Object o) { return indexOf(o) >= 0; } ``` 有时我们需要查找最后一个为指定元素的位置，所以会使用到 `#lastIndexOf(Object o)` 方法。代码如下： ``` // LinkedList.java public int lastIndexOf(Object o) { int index = size; if (o == null) { // 如果 o 为 null 的情况 // 倒序遍历，如果 item 为 null 的节点，进行返回 for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) { index--; if (x.item == null) return index; // 找到 } } else { // 如果 o 非 null 的情况 // 倒序遍历，如果 item 为 o 的节点，进行返回 for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) { index--; if (o.equals(x.item)) return index; // 找到 } } // 未找到 return -1; } ``` ## 11. 获得指定位置的元素 `#get(int index)` 方法，获得指定位置的元素。代码如下： ``` // LinkedList.java public E get(int index) { checkElementIndex(index); // 基于 node(int index) 方法实现 return node(index).item; } ``` - 随机访问 `index` 位置的元素，时间复杂度为 O(n) 。 因为 LinkedList 实现了 Deque 接口，所以它实现了 `#peekFirst()` 和 `#peekLast()` 方法，分别获得元素到链表的头尾。代码如下： ``` // LinkedList.java 实现 Deque 接口 public E peekFirst() { final Node<E> f = first; return (f == null) ? null : f.item; } public E peekLast() { final Node<E> l = last; return (l == null) ? null : l.item; } ``` 因为 LinkedList 实现了 Queue 接口，所以它实现了 `#peek()` 和 `#peek()` 和 `#element()` 方法，分别获得元素到链表的头。代码如下： ``` // LinkedList.java 实现 Queue 接口 public E peek() { final Node<E> f = first; return (f == null) ? null : f.item; } public E element() { // 如果链表为空识，抛出 NoSuchElementException 异常 return getFirst(); } public E getFirst() { final Node<E> f = first; if (f == null) // 如果链表为空识，抛出 NoSuchElementException 异常 throw new NoSuchElementException(); return f.item; } ``` ## 12. 设置指定位置的元素 `#set(int index, E element)` 方法，设置指定位置的元素。代码如下： ``` // LinkedList.java public E set(int index, E element) { checkElementIndex(index); // 获得第 index 位置的节点 Node<E> x = node(index); E oldVal = x.item; // 修改对应的值 x.item = element; return oldVal; } ``` ## 13. 转换成数组 `#toArray()` 方法，将 ArrayList 转换成 `[]` 数组。代码如下： ``` // LinkedList.java public Object[] toArray() { // 创建 Object 数组 Object[] result = new Object[size]; // 顺序遍历节点，设置到 Object 数组中 int i = 0; for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) result[i++] = x.item; return result; } ``` 实际场景下，我们可能想要指定 `T` 泛型的数组，那么我们就需要使用到 `#toArray(T[] a)` 方法。代码如下： ``` // LinkedList.java public <T> T[] toArray(T[] a) { // <1> 如果传入的数组小于 size 大小，则直接复制一个新数组返回 if (a.length < size) a = (T[])java.lang.reflect.Array.newInstance( a.getClass().getComponentType(), size); // <2> 顺序遍历链表，复制到 a 中 int i = 0; Object[] result = a; for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) result[i++] = x.item; // <2.1> 如果传入的数组大于 size 大小，则将 size 赋值为 null if (a.length > size) a[size] = null; // <2.2> 返回 a return a; } ``` ## 14. 求哈希值 `#hashCode()` 方法，求 LinkedList 的哈希值。代码如下： ``` // AbstractList.java public int hashCode() { int hashCode = 1; // 遍历，求哈希 for (E e : this) hashCode = 31*hashCode + (e==null ? 0 : e.hashCode()); return hashCode; } ``` - 该方法，是通过父类 AbstractList 来实现的，通过 `for` 来遍历 LinkedList ，然后进行求哈希。可能有胖友不了解 `for( : )` 语法糖，它最终会编译转换成 Iterator 迭代器。 ## 15. 判断相等 `#equals(Object o)` 方法，判断是否相等。代码如下： ``` // AbstractList.java public boolean equals(Object o) { // 如果 o 就是自己，直接返回 true if (o == this) return true; // 如果不为 List 类型，直接返回 false if (!(o instanceof List)) return false; // 创建迭代器，顺序遍历比对 ListIterator<E> e1 = listIterator(); ListIterator<?> e2 = ((List<?>) o).listIterator(); while (e1.hasNext() && e2.hasNext()) { E o1 = e1.next(); Object o2 = e2.next(); if (!(o1==null ? o2==null : o1.equals(o2))) // 如果不相等，返回 false return false; } // 如果有迭代器没有遍历完，说明两者长度不等，所以就不相等；否则，就相等了 return !(e1.hasNext() || e2.hasNext()); } ``` - 该方法，是通过父类 AbstractList 来实现的，通过迭代器，实现遍历比对。 ## 16. 清空链表 `#clear()` 方法，清空链表。代码如下： ``` // LinkedList.java 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 // 顺序遍历链表，设置每个节点前后指向为 null // 通过这样的方式，帮助 GC for (Node<E> x = first; x != null; ) { // 获得下一个节点 Node<E> next = x.next; // 设置 x 的 item、next、prev 为空。 x.item = null; x.next = null; x.prev = null; // 设置 x 为下一个节点 x = next; } // 清空 first 和 last 指向 first = last = null; // 设置链表大小为 0 size = 0; // 增加数组修改次数 modCount++; } ``` ## 17. 序列化链表 `#writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)` 方法，实现 LinkedList 的序列化。代码如下： ``` // LinkedList.java @java.io.Serial private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s) throws java.io.IOException { // Write out any hidden serialization magic // 写入非静态属性、非 transient 属性 s.defaultWriteObject(); // Write out size // 写入链表大小 s.writeInt(size); // Write out all elements in the proper order. // 顺序遍历，逐个序列化 for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) s.writeObject(x.item); } ``` ## 18. 反序列化链表 `#readObject(java.io.ObjectInputStream s)` 方法，反序列化数组。代码如下： ``` // LinkedList.java @java.io.Serial private void readObject(java.io.ObjectInputStream s) throws java.io.IOException, ClassNotFoundException { // Read in any hidden serialization magic // 读取非静态属性、非 transient 属性 s.defaultReadObject(); // Read in size // 读取 size int size = s.readInt(); // Read in all elements in the proper order. // 顺序遍历，逐个反序列化 for (int i = 0; i < size; i++) linkLast((E)s.readObject()); // 添加到链表尾部 } ``` ## 19. 克隆 `#clone()` 方法，克隆 LinkedList 对象。代码如下： ``` // LinkedList.java public Object clone() { // 调用父类，进行克隆 LinkedList<E> clone = superClone(); // Put clone into "virgin" state // 重置 clone 为初始化状态 clone.first = clone.last = null; clone.size = 0; clone.modCount = 0; // Initialize clone with our elements // 遍历遍历，逐个添加到 clone 中 for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) clone.add(x.item); return clone; } ``` - 注意，`first`、`last` 等都是重新初始化进来，不与原 LinkedList 共享。 ## 20. 创建子数组 `#subList(int fromIndex, int toIndex)` 方法，创建 ArrayList 的子数组。代码如下： ``` // AbstractList.java public List<E> subList(int fromIndex, int toIndex) { subListRangeCheck(fromIndex, toIndex, size()); // 根据判断 RandomAccess 接口，判断是否支持随机访问 return (this instanceof RandomAccess ? new RandomAccessSubList<>(this, fromIndex, toIndex) : new SubList<>(this, fromIndex, toIndex)); } ``` - 该方法，是通过父类 AbstractList 来实现的。 - 根据判断 RandomAccess 接口，判断是否支持随机访问，从而创建 RandomAccessSubList 或 SubList 对象。这里，我们就不拓展开解析这两个类，感兴趣的胖友自己去瞅瞅噢。 ## 21. 创建 Iterator 迭代器 `#iterator()` 方法，创建迭代器。代码如下： ``` // AbstractSequentialList.java public Iterator<E> iterator() { return listIterator(); } // AbstractList.java public ListIterator<E> listIterator() { return listIterator(0); } // AbstractSequentialList.java public abstract ListIterator<E> listIterator(int index); ``` - 该方法，是通过父类 AbstractSequentialList 来实现的。 - 整个调用过程是，`iterator() => listIterator() => listIterator(int index)` 的顺序，就是我们在代码里贴进去的顺序。最终呢，是调用 LinkedList 对 `#listIterator(int index)` 的实现，我们在 [「22. 创建 ListIterator 迭代器」](http://svip.iocoder.cn/JDK/Collection-LinkedList/#) 小节来看。 ## 22. 创建 ListIterator 迭代器 `#listIterator(int index)` 方法，创建 ListIterator 迭代器。代码如下： ``` // LinkedList.java public ListIterator<E> listIterator(int index) { checkPositionIndex(index); return new ListItr(index); } ``` - 创建 ListItr 迭代器。 因为 ListItr 的实现代码比较简单，我们就不逐个来看了，直接贴加了注释的代码。代码如下： ``` // LinkedList.java private class ListItr implements ListIterator<E> { /** * 最后返回的节点 */ private Node<E> lastReturned; /** * 下一个节点 */ private Node<E> next; /** * 下一个访问元素的位置，从下标 0 开始。 * * 主要用于 {@link #nextIndex()} 中，判断是否遍历结束 */ private int nextIndex; /** * 创建迭代器时，数组修改次数。 * * 在迭代过程中，如果数组发生了变化，会抛出 ConcurrentModificationException 异常。 */ private int expectedModCount = modCount; ListItr(int index) { // assert isPositionIndex(index); // 获得下一个节点 next = (index == size) ? null : node(index); // 下一个节点的位置 nextIndex = index; } public boolean hasNext() { return nextIndex < size; } public E next() { // 校验是否数组发生了变化 checkForComodification(); // 如果已经遍历到结尾，抛出 NoSuchElementException 异常 if (!hasNext()) throw new NoSuchElementException(); // lastReturned 指向，记录最后访问节点 lastReturned = next; // next 指向，下一个节点 next = next.next; // 下一个节点的位置 + 1 nextIndex++; // 返回 lastReturned return lastReturned.item; } public boolean hasPrevious() { return nextIndex > 0; } public E previous() { // 校验是否数组发生了变化 checkForComodification(); // 如果已经遍历到结尾，抛出 NoSuchElementException 异常 if (!hasPrevious()) throw new NoSuchElementException(); // 修改 lastReturned 和 next 的指向。此时，lastReturned 和 next 是相等的。 lastReturned = next = (next == null) ? last : next.prev; // 下一个节点的位置 - 1 nextIndex--; // 返回 lastReturned return lastReturned.item; } public int nextIndex() { return nextIndex; } public int previousIndex() { return nextIndex - 1; } public void remove() { // 校验是否数组发生了变化 checkForComodification(); // 如果 lastReturned 为空，抛出 IllegalStateException 异常，因为无法移除了。 if (lastReturned == null) throw new IllegalStateException(); // 获得 lastReturned 的下一个 Node<E> lastNext = lastReturned.next; // 移除 lastReturned 节点 unlink(lastReturned); // 此处，会分成两种情况 if (next == lastReturned) // 说明发生过调用 `#previous()` 方法的情况，next 指向下一个节点，而 nextIndex 是无需更改的 next = lastNext; else nextIndex--; // nextIndex 减一。 // 设置 lastReturned 为空 lastReturned = null; // 增加数组修改次数 expectedModCount++; } public void set(E e) { // 如果 lastReturned 为空，抛出 IllegalStateException 异常，因为无法修改了。 if (lastReturned == null) throw new IllegalStateException(); // 校验是否数组发生了变化 checkForComodification(); // 修改 lastReturned 的 item 为 e lastReturned.item = e; } public void add(E e) { // 校验是否数组发生了变化 checkForComodification(); // 设置 lastReturned 为空 lastReturned = null; // 此处，会分成两种情况 if (next == null) // 如果 next 已经遍历到尾，则 e 作为新的尾节点，进行插入。算是性能优化 linkLast(e); else // 插入到 next 的前面 linkBefore(e, next); // nextIndex 加一。 nextIndex++; // 增加数组修改次数 expectedModCount++; } public void forEachRemaining(Consumer<? super E> action) { Objects.requireNonNull(action); // 遍历剩余链表 while (modCount == expectedModCount && nextIndex < size) { // 执行 action 逻辑 action.accept(next.item); // lastReturned 指向 next lastReturned = next; // next 指向下一个节点 next = next.next; // nextIndex 加一。 nextIndex++; } // 校验是否数组发生了变化 checkForComodification(); } final void checkForComodification() { if (modCount != expectedModCount) throw new ConcurrentModificationException(); } } ``` - 虽然有点长，但是保持淡定哟。 ## 彩蛋 咳咳咳，总体还是有点长，不过相比 ArrayList 来说，LinkedList 确实简单蛮多。主要篇幅长的原因，还是因为 LinkedList 实现了 Deque 接口，需要多实现很多方法。 下面，我们来对 LinkedList 做一个简单的小结： - LinkedList 基于节点实现的**双向**链表的 List ，每个节点都指向前一个和后一个节点从而形成链表。 - LinkedList 提供队列、双端队列、栈的功能。 > 因为 `first` 节点，所以提供了队列的功能的实现的功能。 > 因为 `last` 节点，所以提供了栈的功能的实现的功能。 > 因为同时具有 `first` + `last` 节点，所以提供了双端队列的功能。 - LinkedList 随机访问**平均**时间复杂度是 O(n) ，查找指定元素的**平均**时间复杂度是 O(n) 。 - LinkedList 移除指定位置的元素的最好时间复杂度是 O(1) ，最坏时间复杂度是 O(n) ，平均时间复杂度是 O(n) 。 > 最好时间复杂度发生在头部、或尾部移除的情况。 - LinkedList 移除指定位置的元素的最好时间复杂度是 O(1) ，最坏时间复杂度是 O(n) ，平均时间复杂度是 O(n) 。 > 最好时间复杂度发生在头部移除的情况。 - LinkedList 添加元素的最好时间复杂度是 O(1) ，最坏时间复杂度是 O(n) ，平均时间复杂度是 O(n) 。 > 最好时间复杂度发生在头部、或尾部添加的情况。 因为 LinkedList 提供了多种添加、删除、查找的方法，会根据是否能够找到对应的元素进行操作，抛出 NoSuchElementException 异常。我们整理了一个表格，避免胖友错误使用。 | | 返回结果 | 抛出异常 | | :--- | :------------------------------------------------- | :---------- | | 添加 | `#add(…)`、`#offset(...)` | | | 删除 | `#remove(int index)`、`#remove(E e)`、`#poll(E E)` | `#remove()` | | 查找 | `#get(int index)`、`#peek()` | `#poll()` | 😈 这个表主要整理了 List 和 Queue 的操作，暂时没有整理 Deque 的操作。因为，Deque 相同前缀的方法，表现结果同 Queue 。 OK ，还是在结尾抛个拓展，在 Redis List 的数据结构，实现方式是类似 Java LinkedList 的方式，感兴趣的胖友可以自己去瞅瞅。