1. LinkedList概述
LinkedList 和 ArrayList 一样，都实现了 List 接口，但其内部的数据结构有本质的不同。LinkedList 是基于链表实现的，所以它的插入和删除操作比 ArrayList 更加高效。但也是由于其为基于链表的，所以随机访问的效率要比 ArrayList 差。
2. LinkedList结构
（1）LinkedList继承关系
LinkedList类图关系
- LinkedList 是一个继承于AbstractSequentialList的双向链表。它也可以被当作堆栈、队列或双端队列进行操作。
- LinkedList 实现 List 接口，能对它进行队列操作。
- LinkedList 实现 Deque 接口，即能将LinkedList当作双端队列使用。
- LinkedList 实现了Cloneable接口，即覆盖了函数clone()，能克隆。
- LinkedList 实现java.io.Serializable接口，这意味着LinkedList支持序列化，能通过序列化去传输。
- LinkedList 是非同步的。
LinkedList 为什么要继承 AbstractSequentialList ?
- AbstractSequentialList 实现了get(int index)、set(int index, E element)、add(int index, E element) 和 remove(int index)这些骨干性函数。降低了List接口的复杂度。这些接口都是随机访问List的，LinkedList是双向链表，既然它继承于AbstractSequentialList，就相当于已经实现了“get(int index)这些接口”。
- 此外，我们若需要通过AbstractSequentialList自己实现一个列表，只需要扩展此类，并提供 listIterator() 和 size() 方法的实现即可。若要实现不可修改的列表，则需要实现列表迭代器的 hasNext、next、hasPrevious、previous 和 index 方法即可。
（2）LinkedList类定义
LinkedList中定义了三个属性：
- first 指向第一个节点的指针
- last 指向最后一个节点的指针
- size 是双向链表中节点实例的个数，默认为0
节点 Node ：双向链表中节点对应为Node类的实例。Node 中包含成员变量： prev, next, element。其中，prev是该节点的上一个节点，next是该节点的下一个节点，element是该节点所包含的值。
extends AbstractSequentialList<E>
implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable
{
// 链表中节点数量
transient int size = 0;
/**
* Pointer to first node.
* Invariant: (first == null && last == null) ||
* (first.prev == null && first.item != null)
*/
transient Node<E> first;
/**
* Pointer to last node.
* Invariant: (first == null && last == null) ||
* (last.next == null && last.item != null)
*/
transient Node<E> last;
}
（3）LinkedList数据结构
LinkedList底层的数据结构是基于双向循环链表的，且头结点中不存放数据，如下：
双向链表
节点信息
对应的源码中为Node内部类：
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;
}
}
3. LinkedList实现
（1）构造方法
LinkedList提供了两个构造方法：
- 1）无参构造的空集合：前一节点和后一节点均为null，这样整个链表其实就只有header一个节点，用于表示一个空的链表。
/**
* Constructs an empty list.
*/
public LinkedList() {
}
- 2）接收一个Collection参数c，调用第一个构造方法构造一个空的链表，之后通过addAll将c中的元素全部添加到链表中。
/**
* Constructs a list containing the elements of the specified
* collection, in the order they are returned by the collection's
* iterator.
*
* @param c the collection whose elements are to be placed into this list
* @throws NullPointerException if the specified collection is null
*/
public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
this();
addAll(c);
}
（2）添加元素
1）add(E e)
将元素添加到链表的尾部，linkLast 方法分三步：
① 添加元素到尾部
② 集合长度加1（size++）
③ 集合修改次数加1（modCount++）
/**
* Appends the specified element to the end of this list.
*
* <p>This method is equivalent to {@link #addLast}.
*
* @param e element to be appended to this list
* @return {@code true} (as specified by {@link Collection#add})
*/
public boolean add(E e) {
linkLast(e);
return true;
}
/**
* Links e as last element.
*/
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++;
}
2）add(int index, E element)
将元素添加到指定位置
① 检查要添加的元素的位置是否越界
② 如果要添加的位置index=size，直接在链表尾部添加，等价于add(E e)方法
③ 否则，索引到index位置的元素，在其前面添加该元素
/**
* Inserts the specified element at the specified position in this list.
* Shifts the element currently at that position (if any) and any
* subsequent elements to the right (adds one to their indices).
*
* @param index index at which the specified element is to be inserted
* @param element element to be inserted
* @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
*/
public void add(int index, E element) {
checkPositionIndex(index);
if (index == size)
linkLast(element);
else
linkBefore(element, node(index));
}
node(int index)：二分查找某个位置的元素，如果index小于总长度size的一半，从前往后查找，否则从后往前查找
/**
* Returns the (non-null) Node at the specified element index.
*/
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;
}
}
找到对应位置的元素，执行方法 linkBefore(E e, Node<E> succ) ：将该节点插入到index位置的元素的前面，即调整index位置元素的头指针指向要插入的元素，同时修改index位置前一个元素的尾指针指向新添加的元素
/**
* Inserts element e before non-null Node succ.
*/
void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
// assert succ != null;
// 将index-1位置元素存起来
final Node<E> pred = succ.prev;
// 创建要插入的新节点，其头指针指向index-1位置的元素，尾指针指向index位置元素
final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
// 调整指针位置
succ.prev = newNode;
if (pred == null)
first = newNode;
else
pred.next = newNode;
size++;
modCount++;
}
插入步骤如下：
①找到index位置元素
② 创建要插入的节点
实例化插入的节点
③ 调整指针指向
调整指针
3）addAll(int index, Collection<? extends E> c)
将collection对象转换成数组链表，插入到指定位置，同上的在指定位置插入元素类似
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
return addAll(size, c);
}
/**
* Inserts all of the elements in the specified collection into this
* list, starting at the specified position. Shifts the element
* currently at that position (if any) and any subsequent elements to
* the right (increases their indices). The new elements will appear
* in the list in the order that they are returned by the
* specified collection's iterator.
*
* @param index index at which to insert the first element
* from the specified collection
* @param c collection containing elements to be added to this list
* @return {@code true} if this list changed as a result of the call
* @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
* @throws NullPointerException if the specified collection is null
*/
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
checkPositionIndex(index);
Object[] a = c.toArray();
int numNew = a.length;
if (numNew == 0)
return false;
Node<E> pred, succ;
if (index == size) {
succ = null;
pred = last;
} else {
succ = node(index);
pred = succ.prev;
}
for (Object o : a) {
@SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) o;
Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, null);
if (pred == null)
first = newNode;
else
pred.next = newNode;
pred = newNode;
}
if (succ == null) {
last = pred;
} else {
pred.next = succ;
succ.prev = pred;
}
size += numNew;
modCount++;
return true;
}
（3）获取元素
get(int index)：获取指定位置的元素
① 检查是否越界
② 遍历链表的元素
从头开始遍历还是从结尾开始遍历，取决于 index 与当前链表长度的 size/2 比较，如果索引位置小于当前链表长度的一半，从头往后遍历，否则从尾向前开始遍历。
注意细节：位运算与直接做除法的区别。
/**
* Returns the element at the specified position in this list.
*
* @param index index of the element to return
* @return the element at the specified position in this list
* @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
*/
public E get(int index) {
checkElementIndex(index);
return node(index).item;
}
/**
* Returns the (non-null) Node at the specified element index.
*/
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;
}
}
（4）删除元素
1）remove()
本质是调用removeFirst()方法，删除链表头节点元素
/**
* Retrieves and removes the head (first element) of this list.
*
* @return the head of this list
* @throws NoSuchElementException if this list is empty
* @since 1.5
*/
public E remove() {
return removeFirst();
}
2）removeFirst()
移除第一个节点，将第一个节点置为null（让GC回收），将下一个节点变成第一个节点，链表长度减1，修改次数加1。
/**
* Removes and returns the first element from this list.
*
* @return the first element from this list
* @throws NoSuchElementException if this list is empty
*/
public E removeFirst() {
final Node<E> f = first;
if (f == null)
throw new NoSuchElementException();
return unlinkFirst(f);
}
/**
* Unlinks non-null first node f.
*/
private E unlinkFirst(Node<E> f) {
// assert f == first && f != null;
final E element = f.item;
final Node<E> next = f.next;
f.item = null;
f.next = null; // help GC
first = next;
if (next == null)
last = null;
else
next.prev = null;
size--;
modCount++;
return element;
}
3）removeLast()
移除最后一个节点，将最后一个节点置为null（让GC回收），将最后一个节点的上一节点变成最后一个节点，链表长度减1，修改次数加1。
/**
* Removes and returns the last element from this list.
*
* @return the last element from this list
* @throws NoSuchElementException if this list is empty
*/
public E removeLast() {
final Node<E> l = last;
if (l == null)
throw new NoSuchElementException();
return unlinkLast(l);
}
/**
* Unlinks non-null last node l.
*/
private E unlinkLast(Node<E> l) {
// assert l == last && l != null;
final E element = l.item;
final Node<E> prev = l.prev;
l.item = null;
l.prev = null; // help GC
last = prev;
if (prev == null)
first = null;
else
prev.next = null;
size--;
modCount++;
return element;
}
4）remove(int index)
删除指定位置元素：根据索引index获取需要移除的节点，将移除的节点置空，调整其上一个节点和下一个节点指针的指向，链表长度减1，修改次数加1。。
/**
* Removes the element at the specified position in this list. Shifts any
* subsequent elements to the left (subtracts one from their indices).
* Returns the element that was removed from the list.
*
* @param index the index of the element to be removed
* @return the element previously at the specified position
* @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
*/
public E remove(int index) {
checkElementIndex(index);
return unlink(node(index));
}
/**
* Unlinks non-null node x.
*/
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;
}
（4）清空集合
clear() ：遍历链表，将所有元素置空，然后将链表长度修改成0，修改次数加1。
/**
* Removes all of the elements from this list.
* The list will be empty after this call returns.
*/
public void clear() {
// Clearing all of the links between nodes is "unnecessary", but:
// - helps a generational GC if the discarded nodes inhabit
// more than one generation
// - is sure to free memory even if there is a reachable Iterator
for (Node<E> x = first; x != null; ) {
Node<E> next = x.next;
x.item = null;
x.next = null;
x.prev = null;
x = next;
}
first = last = null;
size = 0;
modCount++;
}
（5）包含元素
contains(Object o) ：集合中是否包含某个元素
查找方式：从前向后查找，返回元素值为查找的值o的索引，不存在返回-1
indexOf(Object o)判断链表中是否存在节点的element和o相等，若相等则返回该节点在链表中的索引位置，若不存在则放回-1。
contains(Object o)方法通过判断indexOf(Object o)方法返回的值是否是-1来判断链表中是否包含对象o。
/**
* Returns {@code true} if this list contains the specified element.
* More formally, returns {@code true} if and only if this list contains
* at least one element {@code e} such that
* <tt>(o==null ? e==null : o.equals(e))</tt>.
*
* @param o element whose presence in this list is to be tested
* @return {@code true} if this list contains the specified element
*/
public boolean contains(Object o) {
return indexOf(o) != -1;
}
/**
* Returns the index of the first occurrence of the specified element
* in this list, or -1 if this list does not contain the element.
* More formally, returns the lowest index {@code i} such that
* <tt>(o==null ? get(i)==null : o.equals(get(i)))</tt>,
* or -1 if there is no such index.
*
* @param o element to search for
* @return the index of the first occurrence of the specified element in
* this list, or -1 if this list does not contain the element
*/
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;
}
（6）复制元素
1）Object clone()
调用父类的clone()方法初始化对象链表clone，将clone构造成一个空的双向循环链表，之后将first的下一个节点开始将逐个节点添加到clone中，最后返回克隆的clone对象。
/**
* Returns a shallow copy of this {@code LinkedList}. (The elements
* themselves are not cloned.)
*
* @return a shallow copy of this {@code LinkedList} instance
*/
public Object clone() {
LinkedList<E> clone = superClone();
// Put clone into "virgin" state
clone.first = clone.last = null;
clone.size = 0;
clone.modCount = 0;
// Initialize clone with our elements
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next)
clone.add(x.item);
return clone;
}
private LinkedList<E> superClone() {
try {
return (LinkedList<E>) super.clone();
} catch (CloneNotSupportedException e) {
throw new InternalError(e);
}
}
2）Object[] toArray()
将集合转换为数组：创建大小和LinkedList相等的数组result，遍历链表，将每个节点的元素element复制到数组中，返回数组。
/**
* Returns an array containing all of the elements in this list
* in proper sequence (from first to last element).
*
* <p>The returned array will be "safe" in that no references to it are
* maintained by this list. (In other words, this method must allocate
* a new array). The caller is thus free to modify the returned array.
*
* <p>This method acts as bridge between array-based and collection-based
* APIs.
*
* @return an array containing all of the elements in this list
* in proper sequence
*/
public Object[] toArray() {
Object[] result = new Object[size];
int i = 0;
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next)
result[i++] = x.item;
return result;
}
3）<T> T[] toArray(T[] a)
将集合转换为指定类型的数组：
① 先判断数组a的大小是否足够，若大小不够则拓展。
② 这里用到了反射的方法，重新实例化了一个大小为size的数组。③ 之后将数组a赋值给数组result，遍历链表向result中添加的元素。
④ 最后判断数组a的长度是否大于size，若大于则将size位置的内容设置为null，返回a。
@SuppressWarnings("unchecked")
public <T> T[] toArray(T[] a) {
if (a.length < size)
a = (T[])java.lang.reflect.Array.newInstance(
a.getClass().getComponentType(), size);
int i = 0;
Object[] result = a;
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next)
result[i++] = x.item;
if (a.length > size)
a[size] = null;
return a;
}
从代码中可以看出，数组a的length小于等于size时，a中所有元素被覆盖，被拓展来的空间存储的内容都是null；若数组a的length的length大于size，则0至size-1位置的内容被覆盖，size位置的元素被设置为null，size之后的元素不变。
（7）遍历元素
listIterator：这是一个内部类，用于遍历当前的链表元素，但是由于LinkedList也是非线程安全的类，也可能会产生多线程修改的异常。
public ListIterator<E> listIterator(int index) {
checkPositionIndex(index);
return new ListItr(index);
}
// ListItr实现了ListIterator接口，可知它是一个迭代器，通过它可以遍历修改LinkedList。
// 在LinkedList中提供了获取ListItr对象的方法：listIterator(int index)。
private class ListItr implements ListIterator<E> {
private Node<E> lastReturned;
private Node<E> next;
private int nextIndex;
private int expectedModCount = modCount;
ListItr(int index) {
// assert isPositionIndex(index);
next = (index == size) ? null : node(index);
nextIndex = index;
}
......
