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上節我們介紹了ArrayList，ArrayList隨機訪問效率很高，但插入和刪除效能比較低，我們提到了同樣實現了List介面的LinkedList，它的特點與ArrayList幾乎正好相反，本節我們就來詳細介紹LinkedList。
除了實現了List介面外，LinkedList還實現了Deque和Queue介面，可以按照佇列、棧和雙端佇列的方式進行操作，本節會介紹這些用法，同時介紹其實現原理。
我們先來看它的用法。
用法
構造方法
LinkedList的構造方法與ArrayList類似，有兩個，一個是預設構造方法，另外一個可以接受一個已有的Collection，如下所示：
public LinkedList()
public LinkedList(Collection<? extends E> c)
複製程式碼比如，可以這麼建立：
List<String> list = new LinkedList<>();
List<String> list2 = new LinkedList<>(
Arrays.asList(new String[]{"a","b","c"}));
複製程式碼List介面
LinkedList與ArrayList一樣，同樣實現了List介面，而List介面擴充套件了Collection介面，Collection又擴充套件了Iterable介面，所有這些介面的方法都是可以使用的，使用方法與上節介紹的一樣，本節就不再贅述了。
佇列 (Queue)
LinkedList還實現了佇列介面Queue，所謂佇列就類似於日常生活中的各種排隊，特點就是先進先出，在尾部新增元素，從頭部刪除元素，它的介面定義為：
public interface Queue<E> extends Collection<E> {
boolean add(E e);
boolean offer(E e);
E remove();
E poll();
E element();
E peek();
}
複製程式碼Queue擴充套件了Collection，它的主要操作有三個：
- 在尾部新增元素 (add, offer)
- 檢視頭部元素 (element, peek)，返回頭部元素，但不改變佇列
- 刪除頭部元素 (remove, poll)，返回頭部元素，並且從佇列中刪除
每種操作都有兩種形式，有什麼區別呢？區別在於，對於特殊情況的處理不同。特殊情況是指，佇列為空或者佇列為滿，為空容易理解，為滿是指佇列有長度大小限制，而且已經佔滿了。LinkedList的實現中，佇列長度沒有限制，但別的Queue的實現可能有。
在佇列為空時，element和remove會丟擲異常NoSuchElementException，而peek和poll返回特殊值null，在佇列為滿時，add會丟擲異常IllegalStateException，而offer只是返回false。
把LinkedList當做Queue使用也很簡單，比如，可以這樣：
Queue<String> queue = new LinkedList<>();
queue.offer("a");
queue.offer("b");
queue.offer("c");
while(queue.peek()!=null){
System.out.println(queue.poll());
}
複製程式碼輸出為：
a
b
c
複製程式碼棧
我們在介紹函式呼叫原理的時候介紹過棧，棧也是一種常用的資料結構，與佇列相反，它的特點是先進後出、後進先出，類似於一個儲物箱，放的時候是一件件往上放，拿的時候則只能從上面開始拿。
Java中有一個類Stack，用於表示棧，但這個類已經過時了，我們不再介紹，Java中沒有單獨的棧介面，棧相關方法包括在了表示雙端佇列的介面Deque中，主要有三個方法：
void push(E e);
E pop();
E peek();
複製程式碼解釋下：
- push表示入棧，在頭部新增元素，棧的空間可能是有限的，如果棧滿了，push會丟擲異常IllegalStateException。
- pop表示出棧，返回頭部元素，並且從棧中刪除，如果棧為空，會丟擲異常NoSuchElementException。
- peek檢視棧頭部元素，不修改棧，如果棧為空，返回null。
把LinkedList當做棧使用也很簡單，比如，可以這樣：
Deque<String> stack = new LinkedList<>();
stack.push("a");
stack.push("b");
stack.push("c");
while(stack.peek()!=null){
System.out.println(stack.pop());
}
複製程式碼輸出為：
c
b
a
複製程式碼雙端佇列 (Deque)
棧和佇列都是在兩端進行操作，棧只操作頭部，佇列兩端都操作，但尾部只新增、頭部只檢視和刪除，有一個更為通用的操作兩端的介面Deque，Deque擴充套件了Queue，包括了棧的操作方法，此外，它還有如下更為明確的操作兩端的方法：
void addFirst(E e);
void addLast(E e);
E getFirst();
E getLast();
boolean offerFirst(E e);
boolean offerLast(E e);
E peekFirst();
E peekLast();
E pollFirst();
E pollLast();
E removeFirst();
E removeLast();
複製程式碼xxxFirst操作頭部，xxxLast操作尾部。與佇列類似，每種操作有兩種形式，區別也是在佇列為空或滿時，處理不同。為空時，getXXX/removeXXX會丟擲異常，而peekXXX/pollXXX會返回null。佇列滿時，addXXX會丟擲異常，offerXXX只是返回false。
棧和佇列只是雙端佇列的特殊情況，它們的方法都可以使用雙端佇列的方法替代，不過，使用不同的名稱和方法，概念上更為清晰。
Deque介面還有一個迭代器方法，可以從後往前遍歷
Iterator<E> descendingIterator();
複製程式碼比如，看如下程式碼：
Deque<String> deque = new LinkedList<>(
Arrays.asList(new String[]{"a","b","c"}));
Iterator<String> it = deque.descendingIterator();
while(it.hasNext()){
System.out.print(it.next()+" ");
}
複製程式碼輸出為
c b a
複製程式碼用法小結
LinkedList的用法是比較簡單的，與ArrayList用法類似，支援List介面，只是，LinkedList增加了一個介面Deque，可以把它看做佇列、棧、雙端佇列，方便的在兩端進行操作。
如果只是用作List，那應該用ArrayList還是LinkedList呢？我們需要了解下LinkedList的實現原理。
實現原理
內部組成
我們知道，ArrayList內部是陣列，元素在記憶體是連續存放的，但LinkedList不是。LinkedList直譯就是連結串列，確切的說，它的內部實現是雙向連結串列，每個元素在記憶體都是單獨存放的，元素之間通過連結連在一起，類似於小朋友之間手拉手一樣。
為了表示連結關係，需要一個節點的概念，節點包括實際的元素，但同時有兩個連結，分別指向前一個節點(前驅)和後一個節點(後繼)，節點是一個內部類，具體定義為：
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;
}
}
複製程式碼Node類表示節點，item指向實際的元素，next指向下一個節點，prev指向前一個節點。
LinkedList內部組成就是如下三個例項變數：
transient int size = 0;
transient Node<E> first;
transient Node<E> last;
複製程式碼我們暫時忽略transient關鍵字，size表示連結串列長度，預設為0，first指向頭節點，last指向尾節點，初始值都為null。
LinkedList的所有public方法內部操作的都是這三個例項變數，具體是怎麼操作的？連結關係是如何維護的？我們看一些主要的方法，先來看add方法。
Add方法
add方法的程式碼為：
public boolean add(E e) {
linkLast(e);
return true;
}
複製程式碼主要就是呼叫了linkLast，它的程式碼為：
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++;
}
複製程式碼程式碼的基本步驟是：
- 建立一個新的節點newNode。prev指向原來的尾節點，如果原來連結串列為空，則為null。程式碼為：
Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
複製程式碼- 修改尾節點last，指向新的最後節點newNode。程式碼為：
last = newNode;
複製程式碼- 修改前節點的後向連結，如果原來連結串列為空，則讓頭節點指向新節點，否則讓前一個節點的next指向新節點。程式碼為：
if (l == null)
first = newNode;
else
l.next = newNode;
複製程式碼- 增加連結串列大小。程式碼為：
size++
複製程式碼modCount++的目的與ArrayList是一樣的，記錄修改次數，便於迭代中間檢測結構性變化。
我們通過一些圖示來更清楚的看一下，比如說，程式碼為：
List<String> list = new LinkedList<String>();
list.add("a");
list.add("b");
複製程式碼執行完第一行後，內部結構如下所示：
新增完"b"後，內部結構如下所示：
根據索引訪問元素 get
新增了元素，如果根據索引訪問元素呢？我們看下get方法的程式碼：
public E get(int index) {
checkElementIndex(index);
return node(index).item;
}
複製程式碼checkElementIndex檢查索引位置的有效性，如果無效，丟擲異常，程式碼為：
private void checkElementIndex(int index) {
if (!isElementIndex(index))
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
private boolean isElementIndex(int index) {
return index >= 0 && index < size;
}
複製程式碼如果index有效，則呼叫node方法查詢對應的節點，其item屬性就指向實際元素內容，node方法的程式碼為：
Node<E> node(int 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;
}
}
複製程式碼size>>1等於size/2，如果索引位置在前半部分 (index<(size>>1))，則從頭節點開始查詢，否則，從尾節點開始查詢。
可以看出，與ArrayList明顯不同，ArrayList中陣列元素連續存放，可以直接隨機訪問，而在LinkedList中，則必須從頭或尾，順著連結查詢，效率比較低。
根據內容查詢元素
我們看下indexOf的程式碼：
public int indexOf(Object o) {
int index = 0;
if (o == null) {
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
if (x.item == null)
return index;
index++;
}
} else {
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
if (o.equals(x.item))
return index;
index++;
}
}
return -1;
}
複製程式碼程式碼也很簡單，從頭節點順著連結往後找，如果要找的是null，則找第一個item為null的節點，否則使用equals方法進行比較。
插入元素
add是在尾部新增元素，如果在頭部或中間插入元素呢？可以使用如下方法：
public void add(int index, E element)
複製程式碼它的程式碼是：
public void add(int index, E element) {
checkPositionIndex(index);
if (index == size)
linkLast(element);
else
linkBefore(element, node(index));
}
複製程式碼如果index為size，新增到最後面，一般情況，是插入到index對應節點的前面，呼叫方法為linkBefore，它的程式碼為：
void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
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++;
}
複製程式碼引數succ表示後繼節點。變數pred就表示前驅節點。目標就是在pred和succ中間插入一個節點。插入步驟是：
- 新建一個節點newNode，前驅為pred，後繼為succ。程式碼為：
Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
複製程式碼- 讓後繼的前驅指向新節點。程式碼為：
succ.prev = newNode;
複製程式碼- 讓前驅的後繼指向新節點，如果前驅為空，修改頭節點指向新節點。程式碼為：
if (pred == null)
first = newNode;
else
pred.next = newNode;
複製程式碼- 增加長度。
我們通過圖示來更清楚的看下，還是上面的例子，比如，新增一個元素：
list.add(1, "c");
複製程式碼圖示結構會變為：
刪除元素
我們再來看刪除元素，程式碼為：
public E remove(int index) {
checkElementIndex(index);
return unlink(node(index));
}
複製程式碼通過node方法找到節點後，呼叫了unlink方法，程式碼為：
E unlink(Node<E> x) {
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;
}
複製程式碼刪除x節點，基本思路就是讓x的前驅和後繼直接連結起來，next是x的後繼，prev是x的前驅，具體分為兩步：
- 第一步是讓x的前驅的後繼指向x的後繼。如果x沒有前驅，說明刪除的是頭節點，則修改頭節點指向x的後繼。
- 第二步是讓x的後繼的前驅指向x的前驅。如果x沒有後繼，說明刪除的是尾節點，則修改尾節點指向x的前驅。
我們再通過圖示看下，還是上面的例子，如果刪除一個元素：
list.remove(1);
複製程式碼圖示結構會變為：
原理小結
以上，我們介紹了LinkedList的內部組成，以及幾個主要方法的實現程式碼，其他方法的原理也都類似，我們就不贅述了。
前面我們提到，對於佇列、棧和雙端佇列介面，長度可能有限制，LinkedList實現了這些介面，不過LinkedList對長度並沒有限制。
LinkedList特點分析
LinkedList內部是用雙向連結串列實現的，維護了長度、頭節點和尾節點，這決定了它有如下特點：
- 按需分配空間，不需要預先分配很多空間
- 不可以隨機訪問，按照索引位置訪問效率比較低，必須從頭或尾順著連結找，效率為O(N/2)。
- 不管列表是否已排序，只要是按照內容查詢元素，效率都比較低，必須逐個比較，效率為O(N)。
- 在兩端新增、刪除元素的效率很高，為O(1)。
- 在中間插入、刪除元素，要先定位，效率比較低，為O(N)，但修改本身的效率很高，效率為O(1)。
理解了LinkedList和ArrayList的特點，我們就能比較容易的進行選擇了，如果列表長度未知，新增、刪除操作比較多，尤其經常從兩端進行操作，而按照索引位置訪問相對比較少，則LinkedList就是比較理想的選擇。
小結
本節詳細介紹了LinkedList，先介紹了用法，然後介紹了實現原理，最後我們分析了LinkedList的特點，並與ArrayList進行了比較。
用法上，LinkedList是一個List，但也實現了Deque介面，可以作為佇列、棧和雙端佇列使用。實現原理上，內部是一個雙向連結串列，並維護了長度、頭節點和尾節點。
無論是ArrayList還是LinkedList，按內容查詢元素的效率都很低，都需要逐個進行比較，有沒有更有效的方式呢？
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