Java实习生面试复习(四)：LinkedList

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LinkedList 适用于集合元素先入先出和先入后出的场景，在队列中被频繁使用。下面我们就来简单了解一下它，并看看它跟常用的ArrayList的区别。

LinkedList结构分析

LinkedList 底层数据结构是一个双向链表，整体结构如下图所示：

我们看一下Node节点的源码实现：

    private static class Node<E> {
        E item;// 节点值
        Node<E> next; // 指向的下一个节点
        Node<E> prev; // 指向的前一个节点

        // 初始化参数顺序分别是：前一个节点、本身、后一个节点
        Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
            this.item = element;
            this.next = next;
            this.prev = prev;
        }
    }

从上图和Node节点的源码中我们可以看出，链表中的每个节点都可以向前或者向后遍历，我们有几个概念如下：

链表每个节点我们叫做 Node，prev 属性，代表前一个节点的位置，next 属性，代表后一个节点的位置；
first 是双向链表的头节点，它的前一个节点是 null。
last 是双向链表的尾节点，它的后一个节点是 null；
当链表中没有数据时，first 和 last 是同一个节点，前后指向都是 null；
链表理论上是没有大小限制的。

虽然在添加元素的时候没有“是否超过最大容量”这种判断，但是 LinkedList 实际大小用的是 int 类型，这也说明了LinkedList 不能超过 Integer 的最大值，不然会溢出。

从底层结构上看，我们可以看出LinkedList和ArrayList是完全不一样的，一个是数组实现，一个是链表实现。

新增、删除、查询操作

追加（新增）

追加节点时，我们可以选择追加到链表头部，还是追加到链表尾部，add 方法默认是从尾部开始追加，addFirst 方法见名知其意，就是从头部开始追加，我们分别来看下两种不同的追加方式：

// 从尾部开始追加节点
void linkLast(E e) {
    // 把尾节点数据暂存
    final Node<E> l = last;
    // 新建新的节点，l 是新节点的前一个节点，e 表示当前新增节点，当前新增节点后一个节点是 null
    final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
    // 新建节点追加到尾部
    last = newNode;
    //如果链表为空（l 是尾节点，尾节点为空，链表即空），头部和尾部是同一个节点，都是新建的节点
    if (l == null)
        first = newNode;
    //否则把前尾节点的下一个节点，指向当前尾节点。
    else
        l.next = newNode;
    //大小和版本更改
    size++;
    modCount++;
}

// 从头部追加
void linkFirst(E e) {
    // 头节点赋值给临时变量
    final Node<E> f = first;
    // 新建节点，前一个节点指向null，e 是新建节点，f 是新建节点的下一个节点，目前值是头节点的值
    final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
    // 新建节点成为头节点
    first = newNode;
    // 头节点为空，就是链表为空，头尾节点是一个节点
    if (f == null)
        last = newNode;
    //上一个头节点的前一个节点指向当前节点
    else
        f.prev = newNode;
    size++;
    modCount++;
}

从源码上来看，头部追加节点和尾部追加节点非常类似，只是前者是移动头节点的 prev 指向，后者是移动尾节点的 next 指向。都只需要简单地把指向位置修改下即可，就偷懒不画图了~

删除

同理，删除也有从头部删除和尾部删除，且删除操作会把节点的值，前后指向节点都置为 null，帮助 GC 进行回收。
这里就不一一例举了，就看下从尾部删除的吧，头部删除其实差不多。


    private E unlinkLast(Node<E> l) {
        // l在这里就是last节点
        final E element = l.item;
        final Node<E> prev = l.prev;
        l.item = null;
        l.prev = null; // help GC
        last = prev;
        // 前一个节点为空，就是链表为空，头尾节点是一个节点
        if (prev == null)
            first = null;
        else // 否则把前节点的下一个节点，指向null。
            prev.next = null;
        size--;
        modCount++;
        return element;
    }

到这里，我们已经可以看出，链表结构的节点新增、删除都非常简单，仅仅把前后节点的指向修改下，并不像ArrayList可能涉及到数组的复制，这也是为什么说LinkedList适合频繁的增删。

查询

我们都知道，其实链表查询某一个节点是比较慢的，因为它需要挨个循环查找才行，我们看看 LinkedList是如何寻找节点的

// 根据链表索引位置查询节点
Node<E> node(int index) {
    // 如果 index 处于队列的前半部分，从头开始找，size >> 1 是 size 除以 2 的意思。
    if (index < (size >> 1)) {
        Node<E> x = first;
        // 直到 for 循环到 index 的前一个 node 停止
        for (int i = 0; i < index; i++)
            x = x.next;
        return x;
    } else {// 如果 index 处于队列的后半部分，从尾开始找
        Node<E> x = last;
        // 直到 for 循环到 index 的后一个 node 停止
        for (int i = size - 1; i > index; i--)
            x = x.prev;
        return x;
    }
}

我们可以看出，LinkedList并没有死板的采用从头循环到尾的做法，因为是双向链表，所以可以从头或者从尾开始查询，利用这个特性，可以采取简单二分法，首先看看index是在链表的前半部分，还是后半部分。如果是前半部分，就从头开始寻找，反之亦然。通过这种方式，使循环的次数至少降低了一半，提高了查找的性能，这种思想值得我们借鉴。

注意：LinkedList 实现了 Queue 接口，在新增、删除、查询等方面增加了很多新的方法，这些方法在平时特别容易混淆，在链表为空的情况下，返回值也不太一样，我们列一个表格，方便大家记录：

方法含义	返回异常	返回特殊值	底层实现
新增	add(e)	offer(e)	底层实现相同
删除	remove()	poll(e)	链表为空时，remove 会抛出异常，poll 返回 null
查找	element()	peek()	链表为空时，element 会抛出异常，peek 返回 null