一、原始碼解析

    1、 LinkedList類定義。

public class LinkedList<E>
     extends AbstractSequentialList<E>
     implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable

LinkedList 是一個繼承於AbstractSequentialList的雙向連結串列。它也可以被當作堆疊、佇列或雙端佇列進行操作。 LinkedList 實現 List 介面，能對它進行佇列操作。 LinkedList 實現 Deque 介面，即能將LinkedList當作雙端佇列使用。 LinkedList 實現了Cloneable介面，即覆蓋了函式clone()，能克隆。 LinkedList 實現java.io.Serializable介面，這意味著LinkedList支援序列化，能通過序列化去傳輸。 LinkedList 是非同步的。

為什麼要繼承自AbstractSequentialList ?

AbstractSequentialList 實現了get(int index)、set(int index, E element)、add(int index, E element) 和 remove(int index)這些骨幹性函式。降低了List介面的複雜度。這些介面都是隨機訪問List的，LinkedList是雙向連結串列；既然它繼承於AbstractSequentialList，就相當於已經實現了“get(int index)這些介面”。

此外，我們若需要通過AbstractSequentialList自己實現一個列表，只需要擴充套件此類，並提供 listIterator() 和 size() 方法的實現即可。若要實現不可修改的列表，則需要實現列表迭代器的 hasNext、next、hasPrevious、previous 和 index 方法即可。

LinkedList的類圖關係：

2、LinkedList資料結構原理

LinkedList底層的資料結構是基於雙向迴圈連結串列的，且頭結點中不存放資料,如下：

既然是雙向連結串列，那麼必定存在一種資料結構——我們可以稱之為節點，節點例項儲存業務資料，前一個節點的位置資訊和後一個節點位置資訊，如下圖所示：

   3、私有屬性

 LinkedList中之定義了兩個屬性：

1 private transient Entry<E> header = new Entry<E>(null, null, null);
2 private transient int size = 0;

header是雙向連結串列的頭節點，它是雙向連結串列節點所對應的類Entry的例項。Entry中包含成員變數： previous, next, element。其中，previous是該節點的上一個節點，next是該節點的下一個節點，element是該節點所包含的值。  　　size是雙向連結串列中節點例項的個數。

首先來了解節點類Entry類的程式碼。

1 private static class Entry<E> {
 2    E element;
 3     Entry<E> next;
 4     Entry<E> previous;
 5 
 6     Entry(E element, Entry<E> next, Entry<E> previous) {
 7         this.element = element;
 8         this.next = next;
 9         this.previous = previous;
10    }
11 }

節點類很簡單，element存放業務資料，previous與next分別存放前後節點的資訊（在資料結構中我們通常稱之為前後節點的指標）。

    LinkedList的構造方法:

1 public LinkedList() {
2     header.next = header.previous = header;
3 }
4 public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
5     this();
6    addAll(c);
7 }

4、構造方法

LinkedList提供了兩個構造方法。

第一個構造方法不接受引數，將header例項的previous和next全部指向header例項（注意，這個是一個雙向迴圈連結串列，如果不是迴圈連結串列，空連結串列的情況應該是header節點的前一節點和後一節點均為null），這樣整個連結串列其實就只有header一個節點，用於表示一個空的連結串列。

執行完建構函式後，header例項自身形成一個閉環，如下圖所示：

第二個構造方法接收一個Collection引數c，呼叫第一個構造方法構造一個空的連結串列，之後通過addAll將c中的元素全部新增到連結串列中。

 5、元素新增

 1 public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
 2     return addAll(size, c);
 3 }
 4 // index引數指定collection中插入的第一個元素的位置
  5 public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
 6     // 插入位置超過了連結串列的長度或小於0，報IndexOutOfBoundsException異常
  7     if (index < 0 || index > size)
 8         throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+
  9                                                 ", Size: "+size);
10     Object[] a = c.toArray();
11    int numNew = a.length;
12    // 若需要插入的節點個數為0則返回false，表示沒有插入元素
13     if (numNew==0)
14         return false;
15     modCount++;//否則，插入物件，連結串列修改次數加1
16     // 儲存index處的節點。插入位置如果是size，則在頭結點前面插入，否則在獲取index處的節點插入
17     Entry<E> successor = (index==size ? header : entry(index));
18     // 獲取前一個節點，插入時需要修改這個節點的next引用
19     Entry<E> predecessor = successor.previous;
20     // 按順序將a陣列中的第一個元素插入到index處，將之後的元素插在這個元素後面
21     for (int i=0; i<numNew; i++) {
22         // 結合Entry的構造方法，這條語句是插入操作，相當於C語言中連結串列中插入節點並修改指標
23         Entry<E> e = new Entry<E>((E)a[i], successor, predecessor);
24         // 插入節點後將前一節點的next指向當前節點，相當於修改前一節點的next指標
25         predecessor.next = e;
26         // 相當於C語言中成功插入元素後將指標向後移動一個位置以實現迴圈的功能
27         predecessor = e;
28   }
29     // 插入元素前index處的元素連結到插入的Collection的最後一個節點
30     successor.previous = predecessor;
31     // 修改size
32     size += numNew;
33     return true;
34 }

構造方法中的呼叫了addAll(Collection<? extends E> c)方法，而在addAll(Collection<? extends E> c)方法中僅僅是將size當做index引數呼叫了addAll(int index,Collection<? extends E> c)方法。

1 private Entry<E> entry(int index) {
 2         if (index < 0 || index >= size)
 3             throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+
 4                                                 ", Size: "+size);
 5         Entry<E> e = header;
 6         // 根據這個判斷決定從哪個方向遍歷這個連結串列
 7         if (index < (size >> 1)) {
 8             for (int i = 0; i <= index; i++)
 9                 e = e.next;
10         } else {
11             // 可以通過header節點向前遍歷，說明這個一個迴圈雙向連結串列，header的previous指向連結串列的最後一個節點，這也驗證了構造方法中對於header節點的前後節點均指向自己的解釋
12             for (int i = size; i > index; i--)
13                 e = e.previous;
14        }
15         return e;
16     }

下面說明雙向連結串列新增元素的原理:

新增資料：add()

     // 將元素(E)新增到LinkedList中
     public boolean add(E e) {
         // 將節點(節點資料是e)新增到表頭(header)之前。
         // 即，將節點新增到雙向連結串列的末端。
         addBefore(e, header);
         return true;
     }

     public void add(int index, E element) {
         addBefore(element, (index==size ? header : entry(index)));
     }
    
    private Entry<E> addBefore(E e, Entry<E> entry) {
         Entry<E> newEntry = new Entry<E>(e, entry, entry.previous);
         newEntry.previous.next = newEntry;
         newEntry.next.previous = newEntry;
         size++;
         modCount++;
         return newEntry;
    }

addBefore(E e,Entry<E> entry)方法是個私有方法，所以無法在外部程式中呼叫（當然，這是一般情況，你可以通過反射上面的還是能呼叫到的）。

addBefore(E e,Entry<E> entry)先通過Entry的構造方法建立e的節點newEntry（包含了將其下一個節點設定為entry，上一個節點設定為entry.previous的操作，相當於修改newEntry的“指標”），之後修改插入位置後newEntry的前一節點的next引用和後一節點的previous引用，使連結串列節點間的引用關係保持正確。之後修改和size大小和記錄modCount，然後返回新插入的節點。

下面分解“新增第一個資料”的步驟：

第一步：初始化後LinkedList例項的情況：

第二步：初始化一個預新增的Entry例項（newEntry）。

Entry newEntry = newEntry(e, entry, entry.previous);

第三步：調整新加入節點和頭結點（header）的前後指標。

newEntry.previous.next = newEntry;

newEntry.previous即header，newEntry.previous.next即header的next指向newEntry例項。在上圖中應該是“4號線”指向newEntry。

newEntry.next.previous = newEntry;

newEntry.next即header，newEntry.next.previous即header的previous指向newEntry例項。在上圖中應該是“3號線”指向newEntry。

調整後如下圖所示：

圖——加入第一個節點後LinkedList示意圖

下面分解“新增第二個資料”的步驟：

第一步：新建節點。

圖——新增第二個節點

第二步：調整新節點和頭結點的前後指標資訊。

圖——調整前後指標資訊

新增後續資料情況和上述一致，LinkedList例項是沒有容量限制的。

總結，addBefore(E e,Entry<E> entry)實現在entry之前插入由e構造的新節點。而add(E e)實現在header節點之前插入由e構造的新節點。為了便於理解，下面給出插入節點的示意圖。

 public void addFirst(E e) {
     addBefore(e, header.next);
 }

 public void addLast(E e) {
     addBefore(e, header);
 }

 看上面的示意圖，結合addBefore(E e,Entry<E> entry)方法，很容易理解addFrist(E e)只需實現在header元素的下一個元素之前插入，即示意圖中的一號之前。addLast(E e)只需在實現在header節點前（因為是迴圈連結串列，所以header的前一個節點就是連結串列的最後一個節點）插入節點（插入後在2號節點之後）。

    清除資料clear()

 1 public void clear() {
 2     Entry<E> e = header.next;
 3     // e可以理解為一個移動的“指標”，因為是迴圈連結串列，所以回到header的時候說明已經沒有節點了
 4      while (e != header) {
 5        // 保留e的下一個節點的引用
 6         Entry<E> next = e.next;
 7         // 解除節點e對前後節點的引用
 8         e.next = e.previous = null;
 9         // 將節點e的內容置空
10         e.element = null;
11         // 將e移動到下一個節點
12         e = next;
13  }
14     // 將header構造成一個迴圈連結串列，同構造方法構造一個空的LinkedList
15     header.next = header.previous = header;
16     // 修改size
17     size = 0;
18     modCount++;
19 }

   資料包含 contains(Object o)

 public boolean contains(Object o) {
     return indexOf(o) != -1;
 }
 // 從前向後查詢，返回“值為物件(o)的節點對應的索引”  不存在就返回-1 
 public int indexOf(Object o) {
      int index = 0;
      if (o==null) {
          for (Entry e = header.next; e != header; e = e.next) {
              if (e.element==null)
                  return index;
              index++;
         }
      } else {
         for (Entry e = header.next; e != header; e = e.next) {
             if (o.equals(e.element))
                 return index;
             index++;
        }
    }
     return -1;
 }

indexOf(Object o)判斷o連結串列中是否存在節點的element和o相等，若相等則返回該節點在連結串列中的索引位置，若不存在則放回-1。

contains(Object o)方法通過判斷indexOf(Object o)方法返回的值是否是-1來判斷連結串列中是否包含物件o。

6、刪除資料remove()

幾個remove方法最終都是呼叫了一個私有方法：remove(Entry<E> e)，只是其他簡單邏輯上的區別。下面分析remove(Entry<E> e)方法。

 1 private E remove(Entry<E> e) {
 2     if (e == header)
 3         throw new NoSuchElementException();
 4     // 保留將被移除的節點e的內容
 5     E result = e.element;
 6    // 將前一節點的next引用賦值為e的下一節點
 7     e.previous.next = e.next;
 8    // 將e的下一節點的previous賦值為e的上一節點
 9     e.next.previous = e.previous;
10    // 上面兩條語句的執行已經導致了無法在連結串列中訪問到e節點，而下面解除了e節點對前後節點的引用
11    e.next = e.previous = null;
12   // 將被移除的節點的內容設為null
13   e.element = null;
14   // 修改size大小
15   size--;
16   modCount++;
17   // 返回移除節點e的內容
18   return result;
19 }

由於刪除了某一節點因此調整相應節點的前後指標資訊，如下：

e.previous.next = e.next;//預刪除節點的前一節點的後指標指向預刪除節點的後一個節點。 

e.next.previous = e.previous;//預刪除節點的後一節點的前指標指向預刪除節點的前一個節點。 

清空預刪除節點：

e.next = e.previous = null;

e.element = null;

交給gc完成資源回收，刪除操作結束。

與ArrayList比較而言，LinkedList的刪除動作不需要“移動”很多資料，從而效率更高。

7、資料獲取get()

Get(int)方法的實現在remove(int)中已經涉及過了。首先判斷位置資訊是否合法（大於等於0，小於當前LinkedList例項的Size），然後遍歷到具體位置，獲得節點的業務資料（element）並返回。

注意：為了提高效率，需要根據獲取的位置判斷是從頭還是從尾開始遍歷。

// 獲取雙向連結串列中指定位置的節點    
    private Entry<E> entry(int index) {    
        if (index < 0 || index >= size)    
            throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+    
                                                ", Size: "+size);    
        Entry<E> e = header;    
        // 獲取index處的節點。    
        // 若index < 雙向連結串列長度的1/2,則從前先後查詢;    
        // 否則，從後向前查詢。    
        if (index < (size >> 1)) {    
            for (int i = 0; i <= index; i++)    
                e = e.next;    
        } else {    
            for (int i = size; i > index; i--)    
                e = e.previous;    
        }    
        return e;    
    }

注意細節：位運算與直接做除法的區別。先將index與長度size的一半比較，如果index<size/2，就只從位置0往後遍歷到位置index處，而如果index>size/2，就只從位置size往前遍歷到位置index處。這樣可以減少一部分不必要的遍歷

8、資料複製clone()與toArray()

clone()

 1 public Object clone() {
 2     LinkedList<E> clone = null;
 3     try {
 4         clone = (LinkedList<E>) super.clone();
 5     } catch (CloneNotSupportedException e) {
 6         throw new InternalError();
 7    }
 8     clone.header = new Entry<E>(null, null, null);
 9     clone.header.next = clone.header.previous = clone.header;
10     clone.size = 0;
11     clone.modCount = 0;
12     for (Entry<E> e = header.next; e != header; e = e.next)
13        clone.add(e.element);
14     return clone;
15 }

 呼叫父類的clone()方法初始化物件連結串列clone，將clone構造成一個空的雙向迴圈連結串列，之後將header的下一個節點開始將逐個節點新增到clone中。最後返回克隆的clone物件。

    toArray()

1 public Object[] toArray() {
2     Object[] result = new Object[size];
3     int i = 0;
4     for (Entry<E> e = header.next; e != header; e = e.next)
5         result[i++] = e.element;
6     return result;
7 }

建立大小和LinkedList相等的陣列result，遍歷連結串列，將每個節點的元素element複製到陣列中，返回陣列。

    toArray(T[] a)

 1 public <T> T[] toArray(T[] a) {
 2     if (a.length < size)
 3         a = (T[])java.lang.reflect.Array.newInstance(
 4                                a.getClass().getComponentType(), size);
 5     int i = 0;
 6     Object[] result = a;
 7     for (Entry<E> e = header.next; e != header; e = e.next)
 8         result[i++] = e.element;
 9     if (a.length > size)
10         a[size] = null;
11     return a;
12 }

先判斷出入的陣列a的大小是否足夠，若大小不夠則拓展。這裡用到了發射的方法，重新例項化了一個大小為size的陣列。之後將陣列a賦值給陣列result，遍歷連結串列向result中新增的元素。最後判斷陣列a的長度是否大於size，若大於則將size位置的內容設定為null。返回a。

    從程式碼中可以看出，陣列a的length小於等於size時，a中所有元素被覆蓋，被拓展來的空間儲存的內容都是null；若陣列a的length的length大於size，則0至size-1位置的內容被覆蓋，size位置的元素被設定為null，size之後的元素不變。

    為什麼不直接對陣列a進行操作，要將a賦值給result陣列之後對result陣列進行操作？

9、遍歷資料：Iterator()

    LinkedList的Iterator

    除了Entry，LinkedList還有一個內部類：ListItr。

    ListItr實現了ListIterator介面，可知它是一個迭代器，通過它可以遍歷修改LinkedList。

    在LinkedList中提供了獲取ListItr物件的方法：listIterator(int index)。

1 public ListIterator<E> listIterator(int index) {
2     return new ListItr(index);
3 }

該方法只是簡單的返回了一個ListItr物件。

    LinkedList中還有通過整合獲得的listIterator()方法，該方法只是呼叫了listIterator(int index)並且傳入0。

二、ListItr

    下面詳細分析ListItr。

  1 private class ListItr implements ListIterator<E> {
  2 // 最近一次返回的節點，也是當前持有的節點
  3     private Entry<E> lastReturned = header;
  4     // 對下一個元素的引用
  5     private Entry<E> next;
  6     // 下一個節點的index
  7     private int nextIndex;
  8     private int expectedModCount = modCount;
  9     // 構造方法，接收一個index引數，返回一個ListItr物件
 10     ListItr(int index) {
 11         // 如果index小於0或大於size，丟擲IndexOutOfBoundsException異常
 12         if (index < 0 || index > size)
 13         throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+
 14                             ", Size: "+size);
 15         // 判斷遍歷方向
 16         if (index < (size >> 1)) {
 17         // next賦值為第一個節點
 18         next = header.next;
 19         // 獲取指定位置的節點
 20         for (nextIndex=0; nextIndex<index; nextIndex++)
 21             next = next.next;
 22         } else {
 23 // else中的處理和if塊中的處理一致，只是遍歷方向不同
 24         next = header;
 25         for (nextIndex=size; nextIndex>index; nextIndex--)
 26             next = next.previous;
 27        }
 28    }
 29     // 根據nextIndex是否等於size判斷時候還有下一個節點（也可以理解為是否遍歷完了LinkedList）
 30     public boolean hasNext() {
 31         return nextIndex != size;
 32    }
 33     // 獲取下一個元素
 34     public E next() {
 35        checkForComodification();
 36         // 如果nextIndex==size,則已經遍歷完連結串列，即沒有下一個節點了（實際上是有的，因為是迴圈連結串列，任何一個節點都會有上一個和下一個節點，這裡的沒有下一個節點只是說所有節點都已經遍歷完了）
 37         if (nextIndex == size)
 38         throw new NoSuchElementException();
 39         // 設定最近一次返回的節點為next節點
 40         lastReturned = next;
 41         // 將next“向後移動一位”
 42         next = next.next;
 43         // index計數加1
 44         nextIndex++;
 45         // 返回lastReturned的元素
 46         return lastReturned.element;
 47    }
 48 
 49     public boolean hasPrevious() {
 50         return nextIndex != 0;
 51    }
 52     // 返回上一個節點，和next()方法相似
 53     public E previous() {
 54         if (nextIndex == 0)
 55         throw new NoSuchElementException();
 56 
 57         lastReturned = next = next.previous;
 58         nextIndex--;
 59        checkForComodification();
 60         return lastReturned.element;
 61    }
 62 
 63     public int nextIndex() {
 64         return nextIndex;
 65    }
 66 
 67     public int previousIndex() {
 68         return nextIndex-1;
 69    }
 70     // 移除當前Iterator持有的節點
 71     public void remove() {
 72            checkForComodification();
 73             Entry<E> lastNext = lastReturned.next;
 74             try {
 75                 LinkedList.this.remove(lastReturned);
 76             } catch (NoSuchElementException e) {
 77                 throw new IllegalStateException();
 78            }
 79         if (next==lastReturned)
 80                 next = lastNext;
 81             else
 82         nextIndex--;
 83         lastReturned = header;
 84         expectedModCount++;
 85    }
 86     // 修改當前節點的內容
 87     public void set(E e) {
 88         if (lastReturned == header)
 89         throw new IllegalStateException();
 90        checkForComodification();
 91         lastReturned.element = e;
 92    }
 93     // 在當前持有節點後面插入新節點
 94     public void add(E e) {
 95        checkForComodification();
 96         // 將最近一次返回節點修改為header
 97         lastReturned = header;
 98        addBefore(e, next);
 99         nextIndex++;
100         expectedModCount++;
101    }
102     // 判斷expectedModCount和modCount是否一致，以確保通過ListItr的修改操作正確的反映在LinkedList中
103     final void checkForComodification() {
104         if (modCount != expectedModCount)
105         throw new ConcurrentModificationException();
106    }
107 }

下面是一個ListItr的使用例項。

 1 LinkedList<String> list = new LinkedList<String>();
 2         list.add("First");
 3         list.add("Second");
 4         list.add("Thrid");
 5        System.out.println(list);
 6         ListIterator<String> itr = list.listIterator();
 7         while (itr.hasNext()) {
 8            System.out.println(itr.next());
 9        }
10         try {
11             System.out.println(itr.next());// throw Exception
12         } catch (Exception e) {
13             // TODO: handle exception
14        }
15         itr = list.listIterator();
16        System.out.println(list);
17        System.out.println(itr.next());
18         itr.add("new node1");
19        System.out.println(list);
20         itr.add("new node2");
21        System.out.println(list);
22        System.out.println(itr.next());
23         itr.set("modify node");
24        System.out.println(list);
25        itr.remove();
26         System.out.println(list);

 1 結果：
 2 [First, Second, Thrid]
 3 First
 4 Second
 5 Thrid
 6 [First, Second, Thrid]
 7 First
 8 [First, new node1, Second, Thrid]
 9 [First, new node1, new node2, Second, Thrid]
10 Second
11 [First, new node1, new node2, modify node, Thrid]
12 [First, new node1, new node2, Thrid]

LinkedList還有一個提供Iterator的方法：descendingIterator()。該方法返回一個DescendingIterator物件。DescendingIterator是LinkedList的一個內部類。

1 public Iterator<E> descendingIterator() {
2    return new DescendingIterator();
3 }

下面分析詳細分析DescendingIterator類。

 1 private class DescendingIterator implements Iterator {
 2    // 獲取ListItr物件
 3 final ListItr itr = new ListItr(size());
 4 // hasNext其實是呼叫了itr的hasPrevious方法
 5    public boolean hasNext() {
 6        return itr.hasPrevious();
 7    }
 8 // next()其實是呼叫了itr的previous方法
 9    public E next() {
10        return itr.previous();
11    }
12    public void remove() {
13        itr.remove();
14    }
15 }

從類名和上面的程式碼可以看出這是一個反向的Iterator，程式碼很簡單，都是呼叫的ListItr類中的方法。

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