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面试官系统精讲Java源码及大厂真题

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06 LinkedList 源码解析
更新时间:2019-10-17 19:14:01
智慧,不是死的默念,而是生的沉思。

——斯宾诺莎

引导语

LinkedList 适用于集合元素先入先出和先入后出的场景,在队列源码中被频繁使用,面试也经常问到,本小节让我们通过源码来加深对 LinkedList 的了解。

1 整体架构

LinkedList 底层数据结构是一个双向链表,整体结构如下图所示:
图片描述上图代表了一个双向链表结构,链表中的每个节点都可以向前或者向后追溯,我们有几个概念如下:

  • 链表每个节点我们叫做 Node,Node 有 prev 属性,代表前一个节点的位置,next 属性,代表后一个节点的位置;
  • first 是双向链表的头节点,它的前一个节点是 null。
  • last 是双向链表的尾节点,它的后一个节点是 null;
  • 当链表中没有数据时,first 和 last 是同一个节点,前后指向都是 null;
  • 因为是个双向链表,只要机器内存足够强大,是没有大小限制的。

链表中的元素叫做 Node,我们看下 Node 的组成部分:

private static class Node<E> {
    E item;// 节点值
    Node<E> next; // 指向的下一个节点
    Node<E> prev; // 指向的前一个节点

    // 初始化参数顺序分别是:前一个节点、本身节点值、后一个节点
    Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
        this.item = element;
        this.next = next;
        this.prev = prev;
    }
}

2 源码解析

2.1 追加(新增)

追加节点时,我们可以选择追加到链表头部,还是追加到链表尾部,add 方法默认是从尾部开始追加,addFirst 方法是从头部开始追加,我们分别来看下两种不同的追加方式:

从尾部追加(add)

// 从尾部开始追加节点
void linkLast(E e) {
    // 把尾节点数据暂存
    final Node<E> l = last;
    // 新建新的节点,初始化入参含义:
    // l 是新节点的前一个节点,当前值是尾节点值
    // e 表示当前新增节点,当前新增节点后一个节点是 null
    final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
    // 新建节点追加到尾部
    last = newNode;
    //如果链表为空(l 是尾节点,尾节点为空,链表即空),头部和尾部是同一个节点,都是新建的节点
    if (l == null)
        first = newNode;![图片描述](//img.mukewang.com/5d5fc69600013e4803600240.gif)
    //否则把前尾节点的下一个节点,指向当前尾节点。
    else
        l.next = newNode;
    //大小和版本更改
    size++;
    modCount++;
}

从源码上来看,尾部追加节点比较简单,只需要简单地把指向位置修改下即可,我们做个动图来描述下整个过程:
图片描述
从头部追加(addFirst)

// 从头部追加
private void linkFirst(E e) {
    // 头节点赋值给临时变量
    final Node<E> f = first;
    // 新建节点,前一个节点指向null,e 是新建节点,f 是新建节点的下一个节点,目前值是头节点的值
    final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
    // 新建节点成为头节点
    first = newNode;
    // 头节点为空,就是链表为空,头尾节点是一个节点
    if (f == null)
        last = newNode;
    //上一个头节点的前一个节点指向当前节点
    else
        f.prev = newNode;
    size++;
    modCount++;
}

头部追加节点和尾部追加节点非常类似,只是前者是移动头节点的 prev 指向,后者是移动尾节点的 next 指向。

2.2 节点删除

节点删除的方式和追加类似,我们可以选择从头部删除,也可以选择从尾部删除,删除操作会把节点的值,前后指向节点都置为 null,帮助 GC 进行回收。

从头部删除

//从头删除节点 f 是链表头节点
private E unlinkFirst(Node<E> f) {
    // 拿出头节点的值,作为方法的返回值
    final E element = f.item;
    // 拿出头节点的下一个节点
    final Node<E> next = f.next;
    //帮助 GC 回收头节点
    f.item = null;
    f.next = null;
    // 头节点的下一个节点成为头节点
    first = next;
    //如果 next 为空,表明链表为空
    if (next == null)
        last = null;
    //链表不为空,头节点的前一个节点指向 null
    else
        next.prev = null;
    //修改链表大小和版本
    size--;
    modCount++;
    return element;
}

从尾部删除节点代码也是类似的,就不贴了。

从源码中我们可以了解到,链表结构的节点新增、删除都非常简单,仅仅把前后节点的指向修改下就好了,所以 LinkedList 新增和删除速度很快。

2.3 节点查询

链表查询某一个节点是比较慢的,需要挨个循环查找才行,我们看看 LinkedList 的源码是如何寻找节点的:

// 根据链表索引位置查询节点
Node<E> node(int index) {
    // 如果 index 处于队列的前半部分,从头开始找,size >> 1 是 size 除以 2 的意思。
    if (index < (size >> 1)) {
        Node<E> x = first;
        // 直到 for 循环到 index 的前一个 node 停止
        for (int i = 0; i < index; i++)
            x = x.next;
        return x;
    } else {// 如果 index 处于队列的后半部分,从尾开始找
        Node<E> x = last;
        // 直到 for 循环到 index 的后一个 node 停止
        for (int i = size - 1; i > index; i--)
            x = x.prev;
        return x;
    }
}

从源码中我们可以发现,LinkedList 并没有采用从头循环到尾的做法,而是采取了简单二分法,首先看看 index 是在链表的前半部分,还是后半部分。如果是前半部分,就从头开始寻找,反之亦然。通过这种方式,使循环的次数至少降低了一半,提高了查找的性能,这种思想值得我们借鉴。

2.4 方法对比

LinkedList 实现了 Queue 接口,在新增、删除、查询等方面增加了很多新的方法,这些方法在平时特别容易混淆,在链表为空的情况下,返回值也不太一样,我们列一个表格,方便大家记录:

方法含义 返回异常 返回特殊值 底层实现
新增 add(e) offer(e) 底层实现相同
删除 remove() poll(e) 链表为空时,remove 会抛出异常,poll 返回 null。
查找 element() peek() 链表为空时,element 会抛出异常,peek 返回 null。

PS:Queue 接口注释建议 add 方法操作失败时抛出异常,但 LinkedList 实现的 add 方法一直返回 true。
LinkedList 也实现了 Deque 接口,对新增、删除和查找都提供从头开始,还是从尾开始两种方向的方法,比如 remove 方法,Deque 提供了 removeFirst 和 removeLast 两种方向的使用方式,但当链表为空时的表现都和 remove 方法一样,都会抛出异常。

2.5 迭代器

因为 LinkedList 要实现双向的迭代访问,所以我们使用 Iterator 接口肯定不行了,因为 Iterator 只支持从头到尾的访问。Java 新增了一个迭代接口,叫做:ListIterator,这个接口提供了向前和向后的迭代方法,如下所示:

迭代顺序 方法
从尾到头迭代方法 hasPrevious、previous、previousIndex
从头到尾迭代方法 hasNext、next、nextIndex

LinkedList 实现了 ListIterator 接口,如下图所示:

// 双向迭代器
private class ListItr implements ListIterator<E> {
    private Node<E> lastReturned;//上一次执行 next() 或者 previos() 方法时的节点位置
    private Node<E> next;//下一个节点
    private int nextIndex;//下一个节点的位置
    //expectedModCount:期望版本号;modCount:目前最新版本号
    private int expectedModCount = modCount;
    …………
}

我们先来看下从头到尾方向的迭代:

// 判断还有没有下一个元素
public boolean hasNext() {
    return nextIndex < size;// 下一个节点的索引小于链表的大小,就有
}

// 取下一个元素
public E next() {
    //检查期望版本号有无发生变化
    checkForComodification();
    if (!hasNext())//再次检查
        throw new NoSuchElementException();
    // next 是当前节点,在上一次执行 next() 方法时被赋值的。
    // 第一次执行时,是在初始化迭代器的时候,next 被赋值的
    lastReturned = next;
    // next 是下一个节点了,为下次迭代做准备
    next = next.next;
    nextIndex++;
    return lastReturned.item;
}

上述源码的思路就是直接取当前节点的下一个节点,而从尾到头迭代稍微复杂一点,如下:

// 如果上次节点索引位置大于 0,就还有节点可以迭代
public boolean hasPrevious() {
    return nextIndex > 0;
}
// 取前一个节点
public E previous() {
    checkForComodification();
    if (!hasPrevious())
        throw new NoSuchElementException();
    // next 为空场景:1:说明是第一次迭代,取尾节点(last);2:上一次操作把尾节点删除掉了
    // next 不为空场景:说明已经发生过迭代了,直接取前一个节点即可(next.prev)
    lastReturned = next = (next == null) ? last : next.prev;
    // 索引位置变化
    nextIndex--;
    return lastReturned.item;
}

这里复杂点体现在需要判断 next 不为空和为空的场景,代码注释中有详细的描述。

迭代器删除

LinkedList 在删除元素时,也推荐通过迭代器进行删除,删除过程如下:

public void remove() {
    checkForComodification();
    // lastReturned 是本次迭代需要删除的值,分以下空和非空两种情况:
    // lastReturned 为空,说明调用者没有主动执行过 next() 或者 previos(),直接报错
    // lastReturned 不为空,是在上次执行 next() 或者 previos()方法时赋的值
    if (lastReturned == null)
        throw new IllegalStateException();
    Node<E> lastNext = lastReturned.next;
    //删除当前节点
    unlink(lastReturned);
    // next == lastReturned 的场景分析:从尾到头递归顺序,并且是第一次迭代,并且要删除最后一个元素的情况下
    // 这种情况下,previous() 方法里面设置了 lastReturned = next = last,所以 next 和 lastReturned会相等
    if (next == lastReturned)
        // 这时候 lastReturned 是尾节点,lastNext 是 null,所以 next 也是 null,这样在 previous() 执行时,发现 next 是 null,就会把尾节点赋值给 next
        next = lastNext;
    else
        nextIndex--;
    lastReturned = null;
    expectedModCount++;
}

总结

LinkedList 适用于要求有顺序、并且会按照顺序进行迭代的场景,主要是依赖于底层的链表结构,在面试中的频率还是蛮高的,相信理清楚上面的源码后,应对面试应该没有问题。

}
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