LinkedList为什么增删快、查询慢

List家族中共两个常用的对象ArrayList和LinkedList，具有以下基本特征。

• ArrayList：长于随机访问元素，中间插入和移除元素比较慢，在插入时，必须创建空间并将它的所有引用向前移动，这会随着ArrayList的尺寸增加而产生高昂的代价，底层由数组支持。
• LinkedList：通过代价较低的在List中间进行插入和删除操作，只需要链接新的元素，而不必修改列表中剩余的元素，无论列表尺寸如何变化，其代价大致相同，提供了优化的顺序访问，随机访问相对较慢，特性较ArrayList更大，而且还添加了可以使其作为栈、队列或双端队列的方法，底层由双向链表实现。

 

上面的特性接触了Java开发的人都知道，初级Java工程师面试更是必问的点，至于更加深入的知识点：为什么会有这样的特性？ 底层是怎么实现的？往往到这里，大部分程序员都答不出来，笔者当初面试那会也是被这里吊打，被面试官无情的嘲讽，当时的情形是这样的

当时那个臊的啊，拿回简历出了公司坐在深圳某天桥思考了许久的人生。。。。。。。。

 

抽空看了下LinkedList的实现，整理成博文的形式，能给自己增加理解，也希望能帮助广大码农。

LinkedList本质是一个双向链表，由一个个的Node对象组成，如下图

LinkedList由一个个Node组成，每一个Node持有前后节点的引用，也可以称之为指针，看下Node的结构，Node有当前元素对象、前一个节点信息、后一个节点信息三个属性，构造函数也是由这三个属性去组成，在LinkedList的添加方法中，会创建一个Node对象，持有前后节点的信息，添加到最后节点之后。

//关于Node构造函数
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;
    }
}

 

先看下LinkedList中共的几个属性，下面三个属性分别描述LinkedList的尺寸、第一个元素、最后一个元素，这三个元素始终贯穿着在LinkedList的使用当中

//transient 保证以下几个属性不被序列化
/**
 * The number of times this list has been <i>structurally modified</i>.
 * 该字段表示list结构上被修改的次数。结构上的修改指的是那些改变了list的长度
 * 大小或者使得遍历过程中产生不正确的结果的其它方式。
 * 
 */
protected transient int modCount = 0;

transient int size = 0;
/**
 * Pointer to first node.
 * Invariant: (first == null && last == null) ||
 *            (first.prev == null && first.item != null)
 */
transient Node<E> first;
/**
 * Pointer to last node.
 * Invariant: (first == null && last == null) ||
 *            (last.next == null && last.item != null)
 */
transient Node<E> last;

 

再看LinkedList的添加实现，可以添加为null的对象

public boolean add(E e) {
    linkLast(e);
    return true;
}
/**
 * Links e as last element.
 */
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++;
    modCount++;
}

看上面的源码可以知道，当LinkedList添加一个元素时，会默认的往LinkedList最后一个节点后添加，具体步骤为

• 获得最后一个节点last作为当前节点l
• 用当前节点l、添加参数e、null创建一个新的Node对象
• 将新创建的Node对象链接到最后节点，也就是last
• 如果当前的LinkedList为空，那么添加的node就是first，也是last
• 当前LinkedList的size+1，表示结构改变次数的对象modCount+1

整个添加过程中，系统只做了两件事情，添加一个新的节点，然后保存该节点和前节点的引用关系。

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;
}

LinkedList的删除中，会根据传递进来的参数进行null判断，因为在LinkedList的元素移除中，null和非null的处理不一样，对于nul使用==去判断是否匹配，对于非null使用.equals(Object o)去判断，至于==和equals的区别，读者自行百度。

null判断之后，传入当前节点调用unlink(E e)方法，我们可以从方法名中看出点东西，可能设计者也是为了方便读者阅读源码，可以理解为“放开链接”，也可以反映出LinkedList保存数据的方式，一个个元素相互链接而成。

E unlink(Node<E> x) {
    // assert x != null;
    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--;
    modCount++;
    return element;
}

通过阅读上面的源码，LinkedList的删除中，也是改变节点之间的引用关系去实现的，具体逻辑整理如下：

• 如果前一个节点prev为null，即第一个节点元素，则链表first = x下一个节点；
• 如果前一个节点prev不为null，即不是第一个节点元素，则将当前节点的next赋值给prev.next,x.prev置为null，也就是当前节点x的prev和next和当前链表中的其他元素不存在任何联系；
• 如果下一个节点next为null，即为最后一个元素，则链表last = x前一个节点；
• 如果下一个节点next不为null，即不为最后一个元素，则将当前节点的prev赋值给next.prev，同样当前节点x的prev和next和当前链表中的其他元素不存在任何联系；

 

LinkedList的查询实现源码如下，

public E get(int index) {
    checkElementIndex(index);
    return node(index).item;
}
private void checkElementIndex(int index) {
    if (!isElementIndex(index))
        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
private boolean isElementIndex(int index) {
    return index >= 0 && index < size;
}
Node<E> node(int index) {
    // assert isElementIndex(index);

    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;
    }
}

通过阅读源码，我们也可以解读出LinkedList的查询逻辑

• 根据传入的index去判断是否为LinkedList中的元素，判断逻辑为index是否在0和size之间，如果在则调用node(index)方法，否则抛出IndexOutOfBoundsException；
• 调用node(index)方法，将size右移1位，即size/2，判断传入的size在LinkedList的前半部分还是后半部分
• 如果在前半部分，即index < size/2，则从fisrt节点开始遍历匹配
• 如果在后半部分，即index > size/2，则从last节点开始遍历匹配

可以看出，如果LinkedList链表size越大，则遍历的时间越长，查询所需的时间也越长。

 

应该可以将LinkedList的添加、删除、查询给说清楚，如果读者还有不清楚或者觉得有什么不对的地方，欢迎各位指正或者入群交流。