docs/java/collection/LinkedList.md · 杜同学/JavaGuide

- [简介](#简介)
- [内部结构分析](#内部结构分析)
- [LinkedList源码分析](#linkedlist源码分析)
    - [构造方法](#构造方法)
    - [添加（add）方法](#add方法)
    - [根据位置取数据的方法](#根据位置取数据的方法)
    - [根据对象得到索引的方法](#根据对象得到索引的方法)
    - [检查链表是否包含某对象的方法：](#检查链表是否包含某对象的方法：)
    - [删除（remove/pop）方法](#删除方法)
- [LinkedList类常用方法测试：](#linkedlist类常用方法测试)

## 简介
LinkedList是一个实现了List接口和Deque接口的双端链表。 
LinkedList底层的链表结构使它支持高效的插入和删除操作，另外它实现了Deque接口，使得LinkedList类也具有队列的特性;
LinkedList不是线程安全的，如果想使LinkedList变成线程安全的，可以调用静态类Collections类中的synchronizedList方法： 
```java
List list=Collections.synchronizedList(new LinkedList(...));
```
## 内部结构分析
**如下图所示：**
![LinkedList内部结构](https://user-gold-cdn.xitu.io/2018/3/19/1623e363fe0450b0?w=600&h=481&f=jpeg&s=18502)
看完了图之后，我们再看LinkedList类中的一个**内部私有类Node**就很好理解了：
```java
private static class Node<E> {
 E item;//节点值
 Node<E> next;//后继节点
 Node<E> prev;//前驱节点

Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
 this.item = element;
 this.next = next;
 this.prev = prev;
 }
 }
```
这个类就代表双端链表的节点Node。这个类有三个属性，分别是前驱节点，本节点的值，后继结点。

## LinkedList源码分析
### 构造方法
**空构造方法：**
```java
 public LinkedList() {
 }
```
**用已有的集合创建链表的构造方法：**
```java
 public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
 this();
 addAll(c);
 }
```
### add方法
**add(E e)** 方法：将元素添加到链表尾部
```java
public boolean add(E e) {
 linkLast(e);//这里就只调用了这一个方法
 return true;
 }
```

```java
 /**
 * 链接使e作为最后一个元素。
 */
 void linkLast(E e) {
 final Node<E> l = last;
 final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
 last = newNode;//新建节点
 if (l == null)
 first = newNode;
 else
 l.next = newNode;//指向后继元素也就是指向下一个元素
 size++;
 modCount++;
 }
```
**add(int index,E e)**：在指定位置添加元素
```java
public void add(int index, E element) {
 checkPositionIndex(index); //检查索引是否处于[0-size]之间

if (index == size)//添加在链表尾部
 linkLast(element);
 else//添加在链表中间
 linkBefore(element, node(index));
 }
```
linkBefore方法需要给定两个参数，一个插入节点的值，一个指定的node，所以我们又调用了Node(index)去找到index对应的node

**addAll(Collection  c )：将集合插入到链表尾部**

```java
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
 return addAll(size, c);
 }
```
**addAll(int index, Collection c)：** 将集合从指定位置开始插入
```java
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
 //1:检查index范围是否在size之内
 checkPositionIndex(index);

//2:toArray()方法把集合的数据存到对象数组中
        Object[] a = c.toArray();
        int numNew = a.length;
        if (numNew == 0)
            return false;

//3：得到插入位置的前驱节点和后继节点
 Node<E> pred, succ;
 //如果插入位置为尾部，前驱节点为last，后继节点为null
 if (index == size) {
 succ = null;
 pred = last;
 }
 //否则，调用node()方法得到后继节点，再得到前驱节点
 else {
 succ = node(index);
 pred = succ.prev;
 }

// 4：遍历数据将数据插入
 for (Object o : a) {
 @SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) o;
 //创建新节点
 Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, null);
 //如果插入位置在链表头部
 if (pred == null)
 first = newNode;
 else
 pred.next = newNode;
 pred = newNode;
 }

//如果插入位置在尾部，重置last节点
        if (succ == null) {
            last = pred;
        }
        //否则，将插入的链表与先前链表连接起来
        else {
            pred.next = succ;
            succ.prev = pred;
        }

size += numNew;
        modCount++;
        return true;
    }    
```
上面可以看出addAll方法通常包括下面四个步骤：
1. 检查index范围是否在size之内
2. toArray()方法把集合的数据存到对象数组中
3. 得到插入位置的前驱和后继节点
4. 遍历数据，将数据插入到指定位置

**addFirst(E e)：** 将元素添加到链表头部
```java
 public void addFirst(E e) {
 linkFirst(e);
 }
```
```java
private void linkFirst(E e) {
 final Node<E> f = first;
 final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);//新建节点，以头节点为后继节点
 first = newNode;
 //如果链表为空，last节点也指向该节点
 if (f == null)
 last = newNode;
 //否则，将头节点的前驱指针指向新节点，也就是指向前一个元素
 else
 f.prev = newNode;
 size++;
 modCount++;
 }
```
**addLast(E e)：** 将元素添加到链表尾部，与 **add(E e)** 方法一样
```java
public void addLast(E e) {
 linkLast(e);
 }
```
### 根据位置取数据的方法
**get(int index)：** 根据指定索引返回数据
```java
public E get(int index) {
 //检查index范围是否在size之内
 checkElementIndex(index);
 //调用Node(index)去找到index对应的node然后返回它的值
 return node(index).item;
 }
```
**获取头节点（index=0）数据方法:**
```java
public E getFirst() {
 final Node<E> f = first;
 if (f == null)
 throw new NoSuchElementException();
 return f.item;
 }
public E element() {
 return getFirst();
 }
public E peek() {
 final Node<E> f = first;
 return (f == null) ? null : f.item;
 }

public E peekFirst() {
 final Node<E> f = first;
 return (f == null) ? null : f.item;
 }
```
**区别：**
getFirst(),element(),peek(),peekFirst()
这四个获取头结点方法的区别在于对链表为空时的处理，是抛出异常还是返回null，其中**getFirst()** 和**element()** 方法将会在链表为空时，抛出异常

element()方法的内部就是使用getFirst()实现的。它们会在链表为空时，抛出NoSuchElementException 
**获取尾节点（index=-1）数据方法:**
```java
 public E getLast() {
 final Node<E> l = last;
 if (l == null)
 throw new NoSuchElementException();
 return l.item;
 }
 public E peekLast() {
 final Node<E> l = last;
 return (l == null) ? null : l.item;
 }
```
**两者区别：**
**getLast()** 方法在链表为空时，会抛出**NoSuchElementException**，而**peekLast()** 则不会，只是会返回 **null**。
### 根据对象得到索引的方法
**int indexOf(Object o)：** 从头遍历找
```java
public int indexOf(Object o) {
 int index = 0;
 if (o == null) {
 //从头遍历
 for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
 if (x.item == null)
 return index;
 index++;
 }
 } else {
 //从头遍历
 for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
 if (o.equals(x.item))
 return index;
 index++;
 }
 }
 return -1;
 }
```
**int lastIndexOf(Object o)：** 从尾遍历找
```java
public int lastIndexOf(Object o) {
 int index = size;
 if (o == null) {
 //从尾遍历
 for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) {
 index--;
 if (x.item == null)
 return index;
 }
 } else {
 //从尾遍历
 for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) {
 index--;
 if (o.equals(x.item))
 return index;
 }
 }
 return -1;
 }
```
### 检查链表是否包含某对象的方法：
**contains(Object o)：** 检查对象o是否存在于链表中
```java
 public boolean contains(Object o) {
 return indexOf(o) != -1;
 }
```
### 删除方法
**remove()** ,**removeFirst(),pop():** 删除头节点
```
public E pop() {
 return removeFirst();
 }
public E remove() {
 return removeFirst();
 }
public E removeFirst() {
 final Node<E> f = first;
 if (f == null)
 throw new NoSuchElementException();
 return unlinkFirst(f);
 }
```
**removeLast(),pollLast():** 删除尾节点
```java
public E removeLast() {
 final Node<E> l = last;
 if (l == null)
 throw new NoSuchElementException();
 return unlinkLast(l);
 }
public E pollLast() {
 final Node<E> l = last;
 return (l == null) ? null : unlinkLast(l);
 }
```
**区别：** removeLast()在链表为空时将抛出NoSuchElementException，而pollLast()方法返回null。

**remove(Object o):** 删除指定元素
```java
public boolean remove(Object o) {
 //如果删除对象为null
 if (o == null) {
 //从头开始遍历
 for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
 //找到元素
 if (x.item == null) {
 //从链表中移除找到的元素
 unlink(x);
 return true;
 }
 }
 } else {
 //从头开始遍历
 for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
 //找到元素
 if (o.equals(x.item)) {
 //从链表中移除找到的元素
 unlink(x);
 return true;
 }
 }
 }
 return false;
 }
```
当删除指定对象时，只需调用remove(Object o)即可，不过该方法一次只会删除一个匹配的对象，如果删除了匹配对象，返回true，否则false。

unlink(Node<E> x) 方法：
```java
E unlink(Node<E> x) {
 // assert x != null;
 final E element = x.item;
 final Node<E> next = x.next;//得到后继节点
 final Node<E> prev = x.prev;//得到前驱节点

//删除前驱指针
        if (prev == null) {
            first = next;//如果删除的节点是头节点,令头节点指向该节点的后继节点
        } else {
            prev.next = next;//将前驱节点的后继节点指向后继节点
            x.prev = null;
        }

//删除后继指针
        if (next == null) {
            last = prev;//如果删除的节点是尾节点,令尾节点指向该节点的前驱节点
        } else {
            next.prev = prev;
            x.next = null;
        }

x.item = null;
 size--;
 modCount++;
 return element;
 }
```
**remove(int index)**：删除指定位置的元素
```java
public E remove(int index) {
 //检查index范围
 checkElementIndex(index);
 //将节点删除
 return unlink(node(index));
 }
```
## LinkedList类常用方法测试

```java
package list;

import java.util.Iterator;
import java.util.LinkedList;

public class LinkedListDemo {
 public static void main(String[] srgs) {
 //创建存放int类型的linkedList
 LinkedList<Integer> linkedList = new LinkedList<>();
 /************************** linkedList的基本操作 ************************/
 linkedList.addFirst(0); // 添加元素到列表开头
 linkedList.add(1); // 在列表结尾添加元素
 linkedList.add(2, 2); // 在指定位置添加元素
 linkedList.addLast(3); // 添加元素到列表结尾
 
 System.out.println("LinkedList（直接输出的）: " + linkedList);

System.out.println("getFirst()获得第一个元素: " + linkedList.getFirst()); // 返回此列表的第一个元素
        System.out.println("getLast()获得第最后一个元素: " + linkedList.getLast()); // 返回此列表的最后一个元素
        System.out.println("removeFirst()删除第一个元素并返回: " + linkedList.removeFirst()); // 移除并返回此列表的第一个元素
        System.out.println("removeLast()删除最后一个元素并返回: " + linkedList.removeLast()); // 移除并返回此列表的最后一个元素
        System.out.println("After remove:" + linkedList);
        System.out.println("contains()方法判断列表是否包含1这个元素:" + linkedList.contains(1)); // 判断此列表包含指定元素，如果是，则返回true
        System.out.println("该linkedList的大小 : " + linkedList.size()); // 返回此列表的元素个数

/************************** 位置访问操作 ************************/
        System.out.println("-----------------------------------------");
        linkedList.set(1, 3); // 将此列表中指定位置的元素替换为指定的元素
        System.out.println("After set(1, 3):" + linkedList);
        System.out.println("get(1)获得指定位置（这里为1）的元素: " + linkedList.get(1)); // 返回此列表中指定位置处的元素

/************************** Search操作 ************************/
        System.out.println("-----------------------------------------");
        linkedList.add(3);
        System.out.println("indexOf(3): " + linkedList.indexOf(3)); // 返回此列表中首次出现的指定元素的索引
        System.out.println("lastIndexOf(3): " + linkedList.lastIndexOf(3));// 返回此列表中最后出现的指定元素的索引

/************************** Queue操作 ************************/
        System.out.println("-----------------------------------------");
        System.out.println("peek(): " + linkedList.peek()); // 获取但不移除此列表的头
        System.out.println("element(): " + linkedList.element()); // 获取但不移除此列表的头
        linkedList.poll(); // 获取并移除此列表的头
        System.out.println("After poll():" + linkedList);
        linkedList.remove();
        System.out.println("After remove():" + linkedList); // 获取并移除此列表的头
        linkedList.offer(4);
        System.out.println("After offer(4):" + linkedList); // 将指定元素添加到此列表的末尾

/************************** Deque操作 ************************/
        System.out.println("-----------------------------------------");
        linkedList.offerFirst(2); // 在此列表的开头插入指定的元素
        System.out.println("After offerFirst(2):" + linkedList);
        linkedList.offerLast(5); // 在此列表末尾插入指定的元素
        System.out.println("After offerLast(5):" + linkedList);
        System.out.println("peekFirst(): " + linkedList.peekFirst()); // 获取但不移除此列表的第一个元素
        System.out.println("peekLast(): " + linkedList.peekLast()); // 获取但不移除此列表的第一个元素
        linkedList.pollFirst(); // 获取并移除此列表的第一个元素
        System.out.println("After pollFirst():" + linkedList);
        linkedList.pollLast(); // 获取并移除此列表的最后一个元素
        System.out.println("After pollLast():" + linkedList);
        linkedList.push(2); // 将元素推入此列表所表示的堆栈（插入到列表的头）
        System.out.println("After push(2):" + linkedList);
        linkedList.pop(); // 从此列表所表示的堆栈处弹出一个元素（获取并移除列表第一个元素）
        System.out.println("After pop():" + linkedList);
        linkedList.add(3);
        linkedList.removeFirstOccurrence(3); // 从此列表中移除第一次出现的指定元素（从头部到尾部遍历列表）
        System.out.println("After removeFirstOccurrence(3):" + linkedList);
        linkedList.removeLastOccurrence(3); // 从此列表中移除最后一次出现的指定元素（从尾部到头部遍历列表）
        System.out.println("After removeFirstOccurrence(3):" + linkedList);

/************************** 遍历操作 ************************/
 System.out.println("-----------------------------------------");
 linkedList.clear();
 for (int i = 0; i < 100000; i++) {
 linkedList.add(i);
 }
 // 迭代器遍历
 long start = System.currentTimeMillis();
 Iterator<Integer> iterator = linkedList.iterator();
 while (iterator.hasNext()) {
 iterator.next();
 }
 long end = System.currentTimeMillis();
 System.out.println("Iterator：" + (end - start) + " ms");

// 顺序遍历(随机遍历)
 start = System.currentTimeMillis();
 for (int i = 0; i < linkedList.size(); i++) {
 linkedList.get(i);
 }
 end = System.currentTimeMillis();
 System.out.println("for：" + (end - start) + " ms");

// 另一种for循环遍历
        start = System.currentTimeMillis();
        for (Integer i : linkedList)
            ;
        end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("for2：" + (end - start) + " ms");

// 通过pollFirst()或pollLast()来遍历LinkedList
 LinkedList<Integer> temp1 = new LinkedList<>();
 temp1.addAll(linkedList);
 start = System.currentTimeMillis();
 while (temp1.size() != 0) {
 temp1.pollFirst();
 }
 end = System.currentTimeMillis();
 System.out.println("pollFirst()或pollLast()：" + (end - start) + " ms");

// 通过removeFirst()或removeLast()来遍历LinkedList
 LinkedList<Integer> temp2 = new LinkedList<>();
 temp2.addAll(linkedList);
 start = System.currentTimeMillis();
 while (temp2.size() != 0) {
 temp2.removeFirst();
 }
 end = System.currentTimeMillis();
 System.out.println("removeFirst()或removeLast()：" + (end - start) + " ms");
 }
}
```

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