《LinkedList底层原理》

一、简介

LingkedList 是 Java 集合框架中一个常用的类，它实现了 List 、Queue 和 Serializable 接口。底层使用 双向链表 作为数据结构。

特点：

特性	描述
增删操作快	插入、删除节点时不需要移动元素，效率高
查询效率低	查询元素需要从头或尾部一个个遍历
线程不安全	多线程环境下需手动同步或使用 Collections.synchronizedList 包装

二、底层结构

LinkedList 的核心是一个内部静态类 Node<E> :

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;
    }
}

成员变量

transient int size = 0;
transient Node<E> first;
transient Node<E> last;

• first：指向链表的头结点
• last：指向链表的尾结点
• size：链表元素个数

整个链表通过节点的 next 和 prev 字段形成双向连接。

三、常用方法

add(E e)

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++;
}

将元素添加到链表末尾，如果链表为空，则 first 和 last 都指向新节点。

remove()

public E remove() {
    return removeFirst();
}

public E removeFirst() {
    final Node<E> f = first;
    if (f == null)
        throw new NoSuchElementException();
    
    //调用 unlinkFirst(f) 断开节点与链表的联系并返回其值
    return unlinkFirst(f);
}

private E unlinkFirst(Node<E> f) {
    final E element = f.item;
    final Node<E> next = f.next;

    // 清除当前头结点的引用，帮助 GC 回收
    f.item = null;
    f.next = null;

    // 更新链表的 first 指针
    first = next;

    if (next == null)
        last = null;     // 链表已经为空
    else
        next.prev = null; // 去除旧头结点的前向引用

    size--;
    return element;
}

从链表头部删除元素，同时更新 first 指针。

get(int index)、node(int index)

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

Node<E> node(int index) {
    // 如果 index < size / 2，则从前往后找；否则从后往前找（提高效率）
    // 折中优化策略
    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;
    }
}

查询时，LinkedList 会根据索引判断从头还是从尾开始遍历，优化性能。

安全校验

private void checkElementIndex(int index) {
    if (!isElementIndex(index))
        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}

private boolean isElementIndex(int index) {
    return index >= 0 && index < size;
}

在访问元素之前，会先校验是否越界，防止访问非法位置导致程序崩溃。

四、注意事项

• 不要使用 LinkedList 来频繁随机访问元素。
• 如果是栈、队列或双端队列操作，LinkedList 是一个很好的选择。
• Java 8 之后建议使用 ArrayDeque 替代 LinkedList 实现队列，性能更优。

总结

• LinkedList 是基于 双向链表 实现的，适用于 频繁插入删除 的场景。
• 每个节点包含三个属性：当前元素、前一个节点引用、后一个节点引用。
• 查询操作性能相对较低，但可以通过判断位置优化遍历方向。