Java LinkedList 原始碼分析

簡介

LinkedList 是一個常用的集合類，用於順序儲存元素。 LinkedList 經常和 ArrayList 一起被提及。大部分人應該都知道 ArrayList 內部採用陣列儲存元素，適合用於隨機訪問比較多的場景，而隨機插入、刪除等操作因為要移動元素而比較慢。 LinkedList 內部採用連結串列的形式儲存元素，隨機訪問比較慢，但是插入、刪除元素比較快，一般認為時間複雜都是 O(1) (需要查詢元素時就不是了，下面會說明)。本文分析 LinkedList 的具體實現。

繼承關係

public class LinkedList<E>
extends AbstractSequentialList<E>
implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable

LinkedList 繼承了一個抽象類 AbstractSequentialList ，這個類就是用呼叫 ListIterator 實現了元素的增刪查改，比如 add 方法：

public void add(int index, E element) {
    try {
        listIterator(index).add(element);
    } catch (NoSuchElementException exc) {
        throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index);
    }
}

不過這些方法在 LinkedList 中被複寫了。

LinkedList 實現了 List 、 Deque 、 Cloneable 以及 Serializable 介面。其中 Deque 是雙端佇列介面，所以 LinkedList 可以當作是棧、佇列或者雙端隊佇列。

內部變數

transient int size = 0;
transient Node<E> first;
transient Node<E> last;

總共就三個內部變數， size 是元素個數， first 是指向第一個元素的指標， last 則指向最後一個。元素在內部被封裝成 Node 物件，這是一個內部類，看一下它的程式碼：

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;
    }
}

可以看到這是一個雙向連結串列的結構，每個節點儲存它的前驅節點和後繼節點。

私有方法

LinkedList 內部有幾個關鍵的私有方法，它們實現了連結串列的插入、刪除等操作。比如在表頭插入：

private void linkFirst(E e) {
    final Node<E> f = first;    //先儲存當前頭節點
    //建立一個新節點，節點值為e，前驅節點為空，後繼節點為當前頭節點
    final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
    first = newNode;    //讓first指向新節點
    if (f == null)    //如果連結串列原來為空，把last指向這個唯一的節點
        last = newNode;
    else    ·        //否則原來的頭節點的前驅指向新的頭節點
        f.prev = newNode;
    size++;
    modCount++;
}

其實就是雙向連結串列的插入操作，調整指標的指向，時間複雜度為 O(1) ，學過資料結構的應該很容易看懂。其它還有幾個類似的方法：

//尾部插入
void linkLast(E e) {
    final Node<E> l = last;
    final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
    last = newNode;
    if (l == null)    //如果連結串列原來為空，讓first指向這個唯一的節點
        first = newNode;
    else
        l.next = newNode;
    size++;
    modCount++;
}
//中間插入
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++;
}
//刪除頭節點
private E unlinkFirst(Node<E> f) {
    // assert f == first && f != null;
    final E element = f.item;
    final Node<E> next = f.next; //先儲存下一個節點
    f.item = null;    
    f.next = null; // help GC
    first = next;    //讓first指向下一個節點
    if (next == null)    //如果下一個節點為空，說明連結串列原來只有一個節點，現在成空連結串列了，要把last指向null
        last = null;
    else        //否則下一個節點的前驅節點要置為null
        next.prev = null;
    size--;
    modCount++;
    return element;
}
//刪除尾節點
 private E unlinkLast(Node<E> l) {
    // assert l == last && l != null;
    final E element = l.item;
    final Node<E> prev = l.prev;  //儲存前一個節點
    l.item = null;
    l.prev = null; // help GC
    last = prev;    //last指向前一個節點
    if (prev == null)    //與頭節點刪除一樣，判斷是否為空
        first = null;
    else
        prev.next = null;
    size--;
    modCount++;
    return element;
}
//從連結串列中間刪除節點
 E unlink(Node<E> x) {
    // assert x != null;
    final E element = x.item;
    final Node<E> next = x.next;    //儲存前驅節點
    final Node<E> prev = x.prev;    //儲存後繼節點

    if (prev == null) {    //前驅為空，說明刪除的是頭節點，first要指向下一個節點
        first = next;
    } else {                //否則前驅節點的後繼節點變為當前刪除節點的下一個節點
        prev.next = next;
        x.prev = null;
    }

    if (next == null) {       //判斷後繼是否為空，與前驅節點是否為空的邏輯類似
        last = prev;
    } else {
        next.prev = prev;
        x.next = null;
    }

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

公開方法

公開的方法幾乎都是呼叫上面幾個方法實現的，例如 add 方法：

public boolean add(E e) {
    linkLast(e);
    return true;
}
public boolean add(E e) {
    linkLast(e);
    return true;
}
public void add(int index, E element) {
    checkPositionIndex(index);

    if (index == size)
        linkLast(element);
    else
        linkBefore(element, node(index));
}

這些方法的實現都很簡單。注意最後一個方法 add(int index, E element) ，這個方法是在指定的位置插入元素。首先判斷位置是否越界，然後判斷是不是最後一個位置。如果是就直接插入連結串列末尾，否則呼叫 linkBefore(element, node(index) 方法。這裡在傳引數的時候又呼叫了 node(index) ，這個方法的目的是找到這個位置的節點物件，程式碼如下：

Node<E> node(int index) {
    // assert isElementIndex(index);
    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;
    }
}

這裡有個小技巧是先判斷位置是在連結串列的前半段還是後半段，然後決定從連結串列的頭還是尾去尋找節點。要注意的是 遍歷連結串列尋找節點的時間複雜度是 O(n) ,即使做了位置的判斷，最壞情況下也要遍歷連結串列中一半的元素。所以此時插入操作的時間複雜度就不是 O(1) ,而是 O(n/2)+O(1) 。用於查詢指定位置元素的 get(int index) 方法便是呼叫 node 實現的：

public E get(int index) {
    checkElementIndex(index);
    return node(index).item;
}

再看一下 remove 方法：

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

public boolean remove(Object o) {
    if (o == null) {
        for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
            if (x.item == null) {
                unlink(x);
                return true;
            }
        }
    } else {
        for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
            if (o.equals(x.item)) {
                unlink(x);
                return true;
            }
        }
    }
    return false;
}

第一個 remove(int index) 方法同樣要呼叫 node(index) 尋找節點。而第二個方法 remove(Object o) 是刪除指定元素，這個方法要依次遍歷節點進行元素的比較，最壞情況下要比較到最後一個元素，比呼叫 node 方法更慢，時間複雜度為 O(n) 。另外從這個方法可以看出 LinkedList 的元素可以是 null 。

總結

• LinkedList 基於雙向連結串列實現，元素可以為 null 。
• LinkedList 插入、刪除元素比較快，如果只要調整指標的指向那麼時間複雜度是 O(1) ,但是如果針對特定位置需要遍歷時，時間複雜度是 O(n) 。