從面試角度分析LinkedList原始碼
阿新 • • 發佈：2020-12-18
> 注：本系列文章中用到的jdk版本均為`java8`
`LinkedList`類圖如下：
`LinkedList`底層是由雙向連結串列實現的。連結串列好比火車，每節車廂包含了車廂和連線下一節車廂的連線點。而雙向連結串列的每個節點不僅有指向下一個節點的指標，還有指向上一個節點的指標。
在`LinkedList`原始碼中有一個`Node`靜態類，原始碼如下：
```java
private static class Node {
E item;
Node next;
Node prev;
Node(Node prev, E element, Node next) {
this.item = element;
this.next = next;
this.prev = prev;
}
}
```
一個`Node`節點包含三個部分，分別是
- item：資料
- next：下一個節點的指標
- prev：上一個節點的指標
`LinkedList`的主要變數如下：
```java
// 集合中的元素數量
transient int size = 0;
/**
* 首節點的指標.
* Invariant: (first == null && last == null) ||
* (first.prev == null && first.item != null)
*/
transient Node first;
/**
* 尾結點的指標.
* Invariant: (first == null && last == null) ||
* (last.next == null && last.item != null)
*/
transient Node last;
```
### 一 新增元素
`LinkedList`支援想任意節點位置新增元素，不僅提供了集合常用的`add()`方法，還提供了`addFirst()`和`addLast()`，`add()`方法預設呼叫`addLast()`方法，也就是預設是往連結串列尾部插入元素的。
`add()`方法原始碼：
```java
public boolean add(E e) {
linkLast(e);
return true;
}
```
#### 1.1 尾部插入元素
`linkLast()`原始碼如下：
```java
void linkLast(E e) {
final Node l = last;
final Node newNode = new Node<>(l, e, null);
last = newNode;
if (l == null)
first = newNode;
else
l.next = newNode;
size++;
modCount++;
}
```
我們來畫張圖演示一下如何給連結串列尾部插入元素：
**假如連結串列中沒有元素**
對應原始碼中的`if語句`，如果沒有元素則新增的這個節點為連結串列中唯一的一個元素，既是首節點，又是尾結點，前一個元素的指標和後一個元素的指標都是null。這裡注意`head`節點不是第一個節點，`head`節點只是標識了這個連結串列的地址。
**假如連結串列中有元素**
對應原始碼中`else語句`。先將新增的元素當成`Last`節點，然後將原來的`Last`節點的`next`指向新節點。
```java
else
l.next = newNode;
```
一圖勝前言，畫個圖是不是什麼都明白了。
#### 1.2 頭部插入元素
`linkFirst()`原始碼如下：
```java
private void linkFirst(E e) {
final Node f = first;
final Node newNode = new Node<>(null, e, f);
first = newNode;
if (f == null)
last = newNode;
else
f.prev = newNode;
size++;
modCount++;
}
```
還是根據上面的圖來解讀一下原始碼，先將第一個節點賦值給中間變數`f`，將新節點`newNode`賦值給`first`節點。如果連結串列沒有元素，則`Last`節點和`First`節點都是新插入的節點`newNode`，否則，將原來的`First`節點的頭指標指向新節點。
### 二 刪除元素
`LinkedList`提供的刪除方法有根據`索引`和`元素`刪除，除此之外還提供刪除第一個元素和最後一個元素的方法，這裡我們只分析一下根據索引刪除的方法。
```java
public E remove(int index) {
checkElementIndex(index);
return unlink(node(index));
}
```
`checkElementIndex(index)`方法就是用來判斷傳輸的索引值是否合法，不合法則丟擲陣列越界異常。重點來看一下`unlink(node(index))`方法是如何刪除元素的。
`node(index)`方法原始碼：
`node(index)`方法就是根據索引獲取該索引位置的節點
```java
Node node(int index) {
// assert isElementIndex(index);
// 如果指定下標 < 一半元素數量，則從首結點開始遍歷
// 否則，從尾結點開始遍歷
if (index < (size >> 1)) {
Node x = first;
for (int i = 0; i < index; i++)
x = x.next;
return x;
} else {
Node x = last;
for (int i = size - 1; i > index; i--)
x = x.prev;
return x;
}
}
```
`unlink(Node x)`原始碼如下：
```java
E unlink(Node x) {
// assert x != null;
final E element = x.item;
final Node next = x.next;
final Node 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;
}
```
畫張圖分析一下刪除是如何進行的：
1. **假設刪除的是第一個元素**：則它的`prev==NULL`，我們需要將他的後一個元素（圖中的second）作為第一個元素
2. **假設刪除的是最後一個元素**，則它的`next==null`，我們需要將他的前一個元素（途中的second）作為最後一個元素
3. **如果是中間的任意元素**，則需要將它的前一個元素的`next`指標指向它的後一個元素，同時將它的後一個元素的`prev`指標指向它的前一個元素。
### 三 總結
`LinkedList`底層是由雙向連結串列實現的，由於是連結串列實現的，不僅要存放資料，還要存放指標，所以記憶體開銷要比`ArrayList`大，刪除元素不需要移動其他元素，只需要改變指標的指向，因此刪除效率更高，同時它沒有實現`RandomAccess`介面，因此使用迭代器遍歷要比for迴圈更加高效。`LinkedList`也支援插入重複值和空值，同樣也是執行緒不安全的。
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