从面试角度分析LinkedList源码

注:本系列文章中用到的jdk版本均为java8

LinkedList类图如下:

从面试角度分析LinkedList源码

LinkedList底层是由双向链表实现的。链表好比火车,每节车厢包含了车厢和连接下一节车厢的连接点。而双向链表的每个节点不仅有指向下一个节点的指针,还有指向上一个节点的指针。
LinkedList源码中有一个Node静态类,源码如下:

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;
    }
}

一个Node节点包含三个部分,分别是

  • item:数据
  • next:下一个节点的指针
  • prev:上一个节点的指针

LinkedList的主要变量如下:

// 集合中的元素数量
transient int size = 0;

/**
  * 首节点的指针.
  * Invariant: (first == null && last == null) ||
  *            (first.prev == null && first.item != null)
  */
transient Node<E> first;

/**
  * 尾结点的指针.
  * Invariant: (first == null && last == null) ||
  *            (last.next == null && last.item != null)
  */
transient Node<E> last;

一 添加元素

LinkedList支持想任意节点位置添加元素,不仅提供了集合常用的add()方法,还提供了addFirst()addLast()add()方法默认调用addLast()方法,也就是默认是往链表尾部插入元素的。

add()方法源码:

public boolean add(E e) {
    linkLast(e);
    return true;
}

1.1 尾部插入元素

linkLast()源码如下:

void linkLast(E e) {
    final Node<E> l = last;
    final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
    last = newNode;
    if (l == null)
        first = newNode;
    else
        l.next = newNode;
    size++;
    modCount++;
}

我们来画张图演示一下如何给链表尾部插入元素:

假如链表中没有元素

对应源码中的if语句,如果没有元素则新增的这个节点为链表中唯一的一个元素,既是首节点,又是尾结点,前一个元素的指针和后一个元素的指针都是null。这里注意head节点不是第一个节点,head节点只是标识了这个链表的地址。

从面试角度分析LinkedList源码

假如链表中有元素

对应源码中else语句。先将新增的元素当成Last节点,然后将原来的Last节点的next指向新节点。

else
    l.next = newNode;

从面试角度分析LinkedList源码

一图胜前言,画个图是不是什么都明白了。

1.2 头部插入元素

linkFirst()源码如下:

private void linkFirst(E e) {
    final Node<E> f = first;
    final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
    first = newNode;
    if (f == null)
        last = newNode;
    else
        f.prev = newNode;
    size++;
    modCount++;
}

还是根据上面的图来解读一下源码,先将第一个节点赋值给中间变量f,将新节点newNode赋值给first节点。如果链表没有元素,则Last节点和First节点都是新插入的节点newNode,否则,将原来的First节点的头指针指向新节点。

二 删除元素

LinkedList提供的删除方法有根据索引元素删除,除此之外还提供删除第一个元素和最后一个元素的方法,这里我们只分析一下根据索引删除的方法。

public E remove(int index) {
    checkElementIndex(index);
    return unlink(node(index));
}

checkElementIndex(index)方法就是用来判断传输的索引值是否合法,不合法则抛出数组越界异常。重点来看一下unlink(node(index))方法是如何删除元素的。

node(index)方法源码:

node(index)方法就是根据索引获取该索引位置的节点

Node<E> node(int index) {
    // assert isElementIndex(index);
    // 如果指定下标 < 一半元素数量,则从首结点开始遍历
    // 否则,从尾结点开始遍历
    if (index < (size >> 1)) {
        Node<E> x = first;
        for (int i = 0; i < index; i++)
            x = x.next;
        return x;
    } else {
        Node<E> x = last;
        for (int i = size - 1; i > index; i--)
            x = x.prev;
        return x;
    }
}

unlink(Node<E> x)源码如下:

E unlink(Node<E> x) {
    // assert x != null;
    final E element = x.item;
    final Node<E> next = x.next;
    final Node<E> prev = x.prev;

    if (prev == null) {
        first = next;
    } else {
        prev.next = next;
        x.prev = null;
    }

    if (next == null) {
        last = prev;
    } else {
        next.prev = prev;
        x.next = null;
    }

    x.item = null;
    size--;
    modCount++;
    return element;
}

画张图分析一下删除是如何进行的:

从面试角度分析LinkedList源码

  1. 假设删除的是第一个元素:则它的prev==NULL,我们需要将他的后一个元素(图中的second)作为第一个元素
  2. 假设删除的是最后一个元素,则它的next==null,我们需要将他的前一个元素(途中的second)作为最后一个元素
  3. 如果是中间的任意元素,则需要将它的前一个元素的next指针指向它的后一个元素,同时将它的后一个元素的prev指针指向它的前一个元素。

三 总结

LinkedList底层是由双向链表实现的,由于是链表实现的,不仅要存放数据,还要存放指针,所以内存开销要比ArrayList大,删除元素不需要移动其他元素,只需要改变指针的指向,因此删除效率更高,同时它没有实现RandomAccess接口,因此使用迭代器遍历要比for循环更加高效。LinkedList也支持插入重复值和空值,同样也是线程不安全的。

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