Java中LinkedList原理代码解析

介绍

Java中的LinkedList是一种双向链表数据结构，在实际开发中经常被使用。LinkedList实现了List和Deque接口，可以被用作列表或队列。本文将深入探究LinkedList的实现原理和相应的代码解析。

LinkedList实现原理

LinkedList的实现原理主要包括以下几点：

1. 内部节点类

LinkedList实现了一个节点类Node用来存储元素以及前后指针信息，如下所示：

    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;
        }
    }

1. 头节点和尾节点

LinkedList内部通过head存储头节点，通过tail存储尾节点。头节点和尾节点都是特殊的空节点，不存储元素。通过头节点和尾节点可以快速访问元素，如下所示：

    transient Node<E> first;
    transient Node<E> last;

1. 元素数量

LinkedList内部通过一个整型变量size记录元素的数量，如下所示：

    transient int size = 0;

1. 双向链表实现

LinkedList实现了List和Deque接口，因此是一种双向链表。双向链表的特点是节点除了存储后继节点的指针外，还存储前驱节点的指针，因此可以双向遍历链表。

LinkedList的主要方法

LinkedList内部实现了很多方法，其中最常用的几个方法包括：add、remove、get、set等。以下是这些方法的详细说明。

add方法

add方法有两个重载方法，可以添加元素到列表中的指定位置或列表尾部。默认添加到列表尾部。add方法的实现主要分为两种情况：

1. 添加到列表末尾

添加到列表末尾时，会先新建一个节点类，并将新节点的prev指向尾节点last，将尾节点last的next指向新节点，将尾节点指向新节点，最后将元素数量size加1，如下所示：

    public boolean add(E e) {
        linkLast(e);
        return true;
    }

    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++;
    }

1. 添加到指定位置

添加到指定位置时，会先判断插入的索引位置是否在列表头或者列表尾，若是，则直接调用linkFirst或linkLast方法，否则获取插入位置对应的节点，将新节点的prev指向插入位置节点的prev，插入位置节点的prev的next指向新节点，新节点的next指向插入位置节点，插入位置节点的prev指向新节点，最后将元素数量size加1，如下所示：

    public void add(int index, E element) {
        checkPositionIndex(index);

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

    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++;
    }

remove方法

remove方法有两个重载方法，可以删除列表中指定索引位置或指定元素。默认删除列表第一个匹配的元素。remove方法的实现主要分为两种情况：

1. 删除指定索引位置的元素

删除指定索引位置的元素时，先获取要删除的节点，将要删除节点的前一个节点的next指向要删除的节点的next，将要删除节点的下一个节点的prev指向要删除的节点的prev，最后将要删除节点的prev和next置为null，元素数量size减1，如下所示：

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

    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--;
        return element;
    }

1. 删除指定元素

删除指定元素时，先遍历列表找到第一个匹配的元素，然后将第一个匹配元素节点的prev的next指向第一个匹配元素节点的next，第一个匹配元素节点的next的prev指向第一个匹配元素节点的prev，最后将第一个匹配元素节点的prev和next置为null，元素数量size减1，如下所示：

    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;
    }

get方法

get方法有一个重载方法，用于获取列表中指定索引位置的元素。实现逻辑较为简单，先获取指定索引位置的节点信息，然后返回节点中存储的元素，如下所示：

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

    Node<E> node(int index) {
        // 省略一些越界检查等逻辑
        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;
        }
    }

set方法

set方法有一个重载方法，用于将列表中指定索引位置的元素替换为指定元素。先获取指定索引位置的节点信息，然后将节点中存储的元素替换为指定元素并返回原来存储的元素，如下所示：

    public E set(int index, E element) {
        checkElementIndex(index);
        Node<E> x = node(index);
        E oldVal = x.item;
        x.item = element;
        return oldVal;
    }

示例说明

以下示例演示了如何使用LinkedList实现队列和栈两种数据结构。

1. 队列

队列是一种先进先出的数据结构，LinkedList可以被用作队列的实现。以下是一个自定义的Queue类的示例代码：

public class Queue<E> {
    private LinkedList<E> list = new LinkedList<>();

    public void enqueue(E e) {
        list.addLast(e);
    }

    public E dequeue() {
        return list.removeFirst();
    }

    public boolean isEmpty() {
        return list.isEmpty();
    }

    public int size() {
        return list.size();
    }
}

2. 栈

栈是一种先进后出的数据结构，LinkedList可以被用作栈的实现。以下是一个自定义的Stack类的示例代码：

public class Stack<E> {
    private LinkedList<E> list = new LinkedList<>();

    public void push(E e) {
        list.addFirst(e);
    }

    public E pop() {
        return list.removeFirst();
    }

    public boolean isEmpty() {
        return list.isEmpty();
    }

    public int size() {
        return list.size();
    }
}

总结

本文介绍了Java中LinkedList的实现原理和相应的代码解析。LinkedList是一种双向链表数据结构，通过head存储头节点和tail存储尾节点，以及记录元素数量size来实现列表和队列。LinkedList内部实现了很多常用的方法，如add、remove、get、set等，可以方便地实现自定义的数据结构，如队列和栈等。