jdk1.8.0_45源码解读——LinkedList的实现 – CherishFu

jdk1.8.0_45源码解读——LinkedList的实现

一、LinkedList概述

  LinkedList是List和Deque接口的双向链表的实现。实现了所有可选列表操作,并允许包括null值
    LinkedList既然是通过双向链表去实现的,那么它可以被当作堆栈、队列或双端队列进行操作。并且其顺序访问非常高效,而随机访问效率比较低

  注意,此实现不是同步的。如果多个线程同时访问一个LinkedList实例,而其中至少一个线程从结构上修改了列表,那么它必须保持外部同步。这通常是通过同步那些用来封装列表的对象来实现的。但如果没有这样的对象存在,则该列表需要运用{@link Collections#synchronizedSet Collections.synchronizedSet}来进行“包装”,该方法最好是在创建列表对象时完成,为了避免对列表进行突发的非同步操作。

List list = Collections.synchronizedList(new LinkedList(…));

  类中的iterator()方法和listIterator()方法返回的iterators迭代器是fail-fast的:当某一个线程A通过iterator去遍历某集合的过程中,若该集合的内容被其他线程所改变了;那么线程A访问集合时,就会抛出ConcurrentModificationException异常,产生fail-fast事件。

 

二、LinkedList源码解析

1.节点Node结构

private static class Node<E> {
E item;
// 当前节点所包含的值
Node<E> next; //下一个节点
Node<E> prev; //上一个节点

Node(Node
<E> prev, E element, Node<E> next) {
this.item = element;
this.next = next;
this.prev = prev;
}
}

 

2. LinkedList类结构

//通过LinkedList实现的接口可知,其支持队列操作,双向列表操作,能被克隆,支持序列化public class LinkedList<E>
extends AbstractSequentialList<E>
implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable
{
// LinkedList的大小(指其所含的元素个数)
transient int size = 0;

/**
* 指向第一个节点
* 不变的: (first == null && last == null) ||
* (first.prev == null && first.item != null)
*/
transient Node<E> first;

/**
* 指向最后一个节点
* 不变的: (first == null && last == null) ||
* (last.next == null && last.item != null)
*/
transient Node<E> last;

……
}

LinkedList包含了三个重要的对象:firstlast 和 size。

(1) first双向链表的表头,它是双向链表节点所对应的类Node的实例

(2) last双向链表的最后一个元素,它是双向链表节点所对应的类Node的实例

(3) size 是双向链表中节点的个数。

 

3. 构造函数

LinkedList提供了两种种方式的构造器,构造一个空列表、以及构造一个包含指定collection的元素的列表,这些元素按照该collection的迭代器返回的顺序排列的。

//构建一个空列表
public LinkedList() {
}

/**
* 构造一个包含指定collection的元素的列表,这些元素按照该collection的迭代器返回的顺序排列的
*
@param c 包含用于去构造LinkedList的元素的collection
*
@throws NullPointerException 如果指定的collection为空
*/
//构建一个包含指定集合c的列表
public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
this();
addAll(c);
}

 

4. 添加元素

LinkedList提供了头插入addFirst(E e)尾插入addLast(E e)、add(E e)、addAll(Collection<? extends E> c)、addAll(int index, Collection<? extends E> c)、add(int index, E element)这些添加元素的方法。

//头插入,在列表首部插入节点值e
public void addFirst(E e) {
linkFirst(e);
}

//头插入,即将节点值为e的节点设置为链表首节点
private void linkFirst(E e) {
final Node<E> f = first;
//构建一个prev值为null,节点值为e,next值为f的新节点newNode
final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
//将newNode作为首节点
first = newNode;
//如果原首节点为null,即原链表为null,则链表尾节点也设置为newNode
if (f == null)
last
= newNode;
else //否则,原首节点的prev设置为newNode
f.prev = newNode;
size
++;
modCount
++;
}

//尾插入,在列表尾部插入节点值e,该方法等价于add()
public void addLast(E e) {
linkLast(e);
}

//尾插入,在列表尾部插入节点值e
public boolean add(E e) {
linkLast(e);
return true;
}

//尾插入,即将节点值为e的节点设置为链表的尾节点
void linkLast(E e) {
final Node<E> l = last;
//构建一个prev值为l,节点值为e,next值为null的新节点newNode
final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
//将newNode作为尾节点
last = newNode;
//如果原尾节点为null,即原链表为null,则链表首节点也设置为newNode
if (l == null)
first
= newNode;
else //否则,原尾节点的next设置为newNode
l.next = newNode;
size
++;
modCount
++;
}

//中间插入,在非空节点succ之前插入节点值e
void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
// assert succ != null;
final Node<E> pred = succ.prev;
//构建一个prev值为succ.prev,节点值为e,next值为succ的新节点newNode
final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
//设置newNode为succ的前节点
succ.prev = newNode;
//如果succ.prev为null,即如果succ为首节点,则将newNode设置为首节点
if (pred == null)
first
= newNode;
else //如果succ不是首节点
pred.next = newNode;
size
++;
modCount
++;
}

/**
* 按照指定collection的迭代器所返回的元素顺序,将该collection中的所有元素添加到此链表的尾部
* 如果指定的集合添加到链表的尾部的过程中,集合被修改,则该插入过程的后果是不确定的。
* 一般这种情况发生在指定的集合为该链表的一部分,且其非空。
*
@throws NullPointerException 指定集合为null
*/
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
return addAll(size, c);
}

//从指定的位置开始,将指定collection中的所有元素插入到此链表中,新元素的顺序为指定collection的迭代器所返回的元素顺序
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
checkPositionIndex(index);
//index >= 0 && index <= size

Object[] a
= c.toArray();
int numNew = a.length;
if (numNew == 0)
return false;

Node<E> pred, succ; //succ指向当前需要插入节点的位置,pred指向其前一个节点
if (index == size) { //说明在列表尾部插入集合元素
succ = null;
pred
= last;
}
else {
succ
= node(index); //得到索引index所对应的节点
pred = succ.prev;
}

//指定collection中的所有元素依次插入到此链表中指定位置的过程
for (Object o : a) {
@SuppressWarnings(
“unchecked”) E e = (E) o;
//将元素值e,前继节点pred“封装”为一个新节点newNode
Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, null);
if (pred == null) //如果原链表为null,则新插入的节点作为链表首节点
first = newNode;
else
pred.next
= newNode;
pred
= newNode; //pred指针向后移动,指向下一个需插入节点位置的前一个节点
}

//集合元素插入完成后,与原链表index位置后面的子链表链接起来
if (succ == null) { //说明之前是在列表尾部插入的集合元素
last = pred; //pred指向的是最后插入的那个节点
} else {
pred.next
= succ;
succ.prev
= pred;
}

size += numNew;
modCount
++;
return true;
}

//将指定的元素(E element)插入到列表的指定位置(index)
public void add(int index, E element) {
checkPositionIndex(index);
//index >= 0 && index <= size

if (index == size)
linkLast(element);
//尾插入
else
linkBefore(element, node(index));
//中间插入
}

 

5.删除元素

LinkedList提供了头删除removeFirst()、尾删除removeLast()、remove(int index)、remove(Object o)、clear()这些删除元素的方法。

//移除首节点,并返回该节点的元素值
public E removeFirst() {
final Node<E> f = first;
if (f == null)
throw new NoSuchElementException();
return unlinkFirst(f);
}

//删除非空的首节点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; //将原首节点的next节点设置为首节点
if (next == null) //如果原链表只有一个节点,即原首节点,删除后,链表为null
last = null;
else
next.prev
= null;
size
;
modCount
++;
return element;
}

//移除尾节点,并返回该节点的元素值
public E removeLast() {
final Node<E> l = last;
if (l == null)
throw new NoSuchElementException();
return unlinkLast(l);
}

//删除非空的尾节点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; //将原尾节点的prev节点设置为尾节点
if (prev == null) //如果原链表只有一个节点,则删除后,链表为null
first = null;
else
prev.next
= null;
size
;
modCount
++;
return element;
}

//移除此列表中指定位置上的元素
public E remove(int index) {
checkElementIndex(index);
//index >= 0 && index < size
return unlink(node(index));
}

//删除非空节点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) { //如果被删除节点为头节点
first = next;
}
else {
prev.next
= next;
x.prev
= null;
}

if (next == null) { //如果被删除节点为尾节点
last = prev;
}
else {
next.prev
= prev;
x.next
= null;
}

x.item = null; // help GC
size–;
modCount
++;
return element;
}

//移除列表中首次出现的指定元素(如果存在),LinkedList中允许存放重复的元素
public boolean remove(Object o) {
//由于LinkedList中允许存放null,因此下面通过两种情况来分别处理
if (o == null) {
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) { //顺序访问
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;
}

//清除列表中所有节点
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
++;
}

 

6.修改元素

LinkedList提供了set(int index, E element)方法来修改指定索引上的值。

//替换指定索引位置节点的元素值,并返回旧值
public E set(int index, E element) {
checkElementIndex(index);
//index >= 0 && index < size
Node<E> x = node(index);
E oldVal
= x.item;
x.item
= element;
return oldVal;
}

 

7.查找元素

LinkedList提供了getFirst()、getLast()、contains(Object o)、get(int index)、indexOf(Object o)、lastIndexOf(Object o)这些查找元素的方法。

//返回列表首节点元素值
public E getFirst() {
final Node<E> f = first;
if (f == null) //如果首节点为null
throw new NoSuchElementException();
return f.item;
}

//返回列表尾节点元素值
public E getLast() {
final Node<E> l = last;
if (l == null) //如果尾节点为null
throw new NoSuchElementException();
return l.item;
}

//判断列表中是否包含有元素值o,返回true当列表中至少存在一个元素值e,使得(o==null?e==null:o.equals(e))
public boolean contains(Object o) {
return indexOf(o) != -1;
}

//返回指定索引处的元素值
public E get(int index) {
checkElementIndex(index);
//index >= 0 && index < size
return node(index).item; //node(index)返回指定索引位置index处的节点
}

//返回指定索引位置的节点
Node<E> node(int index) {
// assert isElementIndex(index);
//折半思想,当index < size/2时,从列表首节点向后查找
if (index < (size >> 1)) {
Node
<E> x = first;
for (int i = 0; i < index; i++)
x
= x.next;
return x;
}
else { //当index >= size/2时,从列表尾节点向前查找
Node<E> x = last;
for (int i = size – 1; i > index; i–)
x
= x.prev;
return x;
}
}

//正向查找,返回LinkedList中元素值Object o第一次出现的位置,如果元素不存在,则返回-1
public int indexOf(Object o) {
int index = 0;
//由于LinkedList中允许存放null,因此下面通过两种情况来分别处理
if (o == null) {
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) { //顺序向后
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;
}

//逆向查找,返回LinkedList中元素值Object o最后一次出现的位置,如果元素不存在,则返回-1
public int lastIndexOf(Object o) {
int index = size;
//由于LinkedList中允许存放null,因此下面通过两种情况来分别处理
if (o == null) {
for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) { //逆向向前
index–;
if (x.item == null)
return index;
}
}
else {
for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) {
index
;
if (o.equals(x.item))
return index;
}
}
return -1;
}

由LinkedList的类结构可以看出,LinkedList是AbstractSequentialList的子类。AbstractSequentialList 实现了get(int index)、set(int index, E element)、add(int index, E element) 和 remove(int index)这些随机访问的函数,那么LinkedList也实现了这些随机访问的接口。LinkedList具体是如何实现随机访问的?即,具体是如何定义index这个参数的?

在源码中,Node<E> node(int index)方法是得到索引index所指向的Node节点的。具体实现为:

//返回指定索引位置的节点
Node<E> node(int index) {
// assert isElementIndex(index);
//折半思想,当index < size/2时,从列表首节点向后查找
if (index < (size >> 1)) {
Node
<E> x = first;
for (int i = 0; i < index; i++)
x
= x.next;
return x;
}
else { //当index >= size/2时,从列表尾节点向前查找
Node<E> x = last;
for (int i = size – 1; i > index; i–)
x
= x.prev;
return x;
}
}

  该方法返回双向链表中指定位置处的节点,而链表中是没有下标索引的,要指定位置出的元素,就要遍历该链表,从源码的实现中,我们看到这里有一个加速动作。 源码中先将index与长度size的一半比较,如果index<size/2,就只从位置0往后遍历到位置index处,而如果 index>size/2,就只从位置size往前遍历到位置index处。这样可以减少一部分不必要的遍历。

 

8.其他public方法

clone()、toArray()、toArray(T[] a)

//返回此 LinkedList实例的浅拷贝
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;
}

//返回一个包含LinkedList中所有元素值的数组
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;
}

//如果给定的参数数组长度足够,则将ArrayList中所有元素按序存放于参数数组中,并返回
//如果给定的参数数组长度小于LinkedList的长度,则返回一个新分配的、长度等于LinkedList长度的、包含LinkedList中所有元素的新数组
@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;
}

支持序列化的写入函数writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)和读取函数readObject(java.io.ObjectInputStream s)

private static final long serialVersionUID = 876323262645176354L;

//序列化:将linkedList的“大小,所有的元素值”都写入到输出流中
private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
throws java.io.IOException {
// Write out any hidden serialization magic
s.defaultWriteObject();

// Write out size
s.writeInt(size);

// Write out all elements in the proper order.
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next)
s.writeObject(x.item);
}

//反序列化:先将LinkedList的“大小”读出,然后将“所有的元素值”读出
@SuppressWarnings(“unchecked”)
private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
// Read in any hidden serialization magic
s.defaultReadObject();

// Read in size
int size = s.readInt();

// Read in all elements in the proper order.
for (int i = 0; i < size; i++)
linkLast((E)s.readObject());
//以尾插入的方式
}

 

9.Queue操作

Queue操作提供了peek()、element()、poll()、remove()、offer(E e)这些方法。

//获取但不移除此队列的头;如果此队列为空,则返回 null
public E peek() {
final Node<E> f = first;
return (f == null) ? null : f.item;
}

//获取但不移除此队列的头;如果此队列为空,则抛出NoSuchElementException异常
public E element() {
return getFirst();
}

//获取并移除此队列的头,如果此队列为空,则返回 null
public E poll() {
final Node<E> f = first;
return (f == null) ? null : unlinkFirst(f);
}

//获取并移除此队列的头,如果此队列为空,则抛出NoSuchElementException异常
public E remove() {
return removeFirst();
}

//将指定的元素值(E e)插入此列表末尾
public boolean offer(E e) {
return add(e);
}

 

 10.Deque(双端队列)操作

Deque操作提供了offerFirst(E e)、offerLast(E e)、peekFirst()、peekLast()、pollFirst()、pollLast()、push(E e)、pop()、removeFirstOccurrence(Object o)、removeLastOccurrence(Object o)这些方法。

//获取但不移除此队列的头;如果此队列为空,则返回 null
public E peek() {
final Node<E> f = first;
return (f == null) ? null : f.item;
}

//获取但不移除此队列的头;如果此队列为空,则抛出NoSuchElementException异常
public E element() {
return getFirst();
}

//获取并移除此队列的头,如果此队列为空,则返回 null
public E poll() {
final Node<E> f = first;
return (f == null) ? null : unlinkFirst(f);
}

//获取并移除此队列的头,如果此队列为空,则抛出NoSuchElementException异常
public E remove() {
return removeFirst();
}

//将指定的元素值(E e)插入此列表末尾
public boolean offer(E e) {
return add(e);
}

// Deque operations

//将指定的元素插入此双端队列的开头
public boolean offerFirst(E e) {
addFirst(e);
return true;
}

//将指定的元素插入此双端队列的末尾
public boolean offerLast(E e) {
addLast(e);
return true;
}

//获取,但不移除此双端队列的第一个元素;如果此双端队列为空,则返回 null
public E peekFirst() {
final Node<E> f = first;
return (f == null) ? null : f.item;
}

//获取,但不移除此双端队列的最后一个元素;如果此双端队列为空,则返回 null
public E peekLast() {
final Node<E> l = last;
return (l == null) ? null : l.item;
}

//获取并移除此双端队列的第一个元素;如果此双端队列为空,则返回 null
public E pollFirst() {
final Node<E> f = first;
return (f == null) ? null : unlinkFirst(f);
}

//获取并移除此双端队列的最后一个元素;如果此双端队列为空,则返回 null
public E pollLast() {
final Node<E> l = last;
return (l == null) ? null : unlinkLast(l);
}

//将一个元素推入此双端队列所表示的堆栈(换句话说,此双端队列的头部)
public void push(E e) {
addFirst(e);
}

//从此双端队列所表示的堆栈中弹出一个元素(换句话说,移除并返回此双端队列的头部)
public E pop() {
return removeFirst();
}

//从此双端队列移除第一次出现的指定元素,如果列表中不包含次元素,则没有任何改变
public boolean removeFirstOccurrence(Object o) {
return remove(o);
}

//从此双端队列移除最后一次出现的指定元素,如果列表中不包含次元素,则没有任何改变
public boolean removeLastOccurrence(Object o) {
//由于LinkedList中允许存放null,因此下面通过两种情况来分别处理
if (o == null) {
for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) { //逆向向前
if (x.item == null) {
unlink(x);
return true;
}
}
}
else {
for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) {
if (o.equals(x.item)) {
unlink(x);
return true;
}
}
}
return false;
}

 

11. Fail-Fast机制

LinkedList也采用了快速失败的机制,通过记录modCount参数来实现。在面对并发的修改时,迭代器很快就会完全失败,而不是冒着在将来某个不确定时间发生任意不确定行为的风险。

 

三、常用的LinkedList的遍历方式

LinkedList不提倡运用随机访问的方式进行元素遍历。

1)通过迭代器Iterator遍历:

Iterator iter = list.iterator();
while (iter.hasNext())
{
System.out.println(iter.next());
}

2)通过迭代器ListIterator遍历:

  ListIterator<String> lIter = list.listIterator();
  //顺向遍历
  while(lIter.hasNext()){
  System.out.println(lIter.next());
  }
  //逆向遍历
  while(lIter.hasPrevious()){
  System.out.println(lIter.previous());
  }

3)foreach循环遍历

for(String str:list)
{
System.out.println(str);
}

 

四、LinkedList的运用

 LinkedList实现堆栈:Java实现栈和队列

 

【感谢】

Java集合系列之LinkedList源码分析

Java 集合系列05之 LinkedList详细介绍(源码解析)和使用示例

本文链接:jdk1.8.0_45源码解读——LinkedList的实现,转载请注明。



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