LinkedList源码分析

和ArrayList一样，LinkedList 也是处理集合的，但是从名字就可以看出来两者的不同，前者底层的实现是基于数组实现的，后者是基于链表实现的。LinkedList更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。

一：整体架构

1.1、LinkedList 结构

LinkedList 底层数据结构是一个双向链表，整体结构如下图所示：

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，从以上结构中我们可以看出：

1. first 是双向链表的头节点，它的前一个节点是 null ;
2. last 是双向链表的尾节点，它的后一个节点是 null ;
3. 当链表中没有数据时，first 和 last 是同一个节点，都指向 null；

链表中的每一个元素叫是一个 Node，其中Node的源码非常简单，如下所示：

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;
    }
}

二：源码解析

2.1、新增（add）

新增节点时，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

1）、从尾部增加

// 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;
    //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++;
}

2）、从头部增加

// 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++;
}

由于底层是基于双向链表实现的，所有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、删除

节点删除的方式和新增类似，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。
1）、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;
}

2）、从尾部删除

//从尾删除节点 l 是链表尾节点
private E unlinkLast(Node<E> l) {
    
    
	// 拿出尾节点的值，作为方法的返回值
    final E element = l.item;
    // 拿出尾节点的前一个节点
    final Node<E> prev = l.prev;
     //帮助 GC 回收头节点
    l.item = null;
    l.prev = null;
    // 尾节点的前一个节点成为尾节点
    last = prev;
    //如果 prev为空，表明链表为空
    if (prev == null)
        first = null;
    // 链表不为空，尾节点的后一个节点指向 null
    else
        prev.next = null;
     // 修改链表大小和版本    
    size--;
    modCount++;
    return element;
}

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。

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，我们来看一下两者的对比：

LinkedList 也实现了 Deque（双端队列） 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。

三：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。