LinkedList 是 Java 集合框架中的另一个常用类，它实现了 List、Deque 和 Queue 接口，基于双向链表的结构，可以高效地进行插入和删除操作。

1. LinkedList 的基本特性

• 底层结构：LinkedList 基于双向链表实现，每个节点包含对前后节点的引用。
• 高效的插入和删除：由于链表结构的特点，在链表头部和尾部的插入、删除操作时间复杂度为 O(1)，在中间位置插入或删除操作需要遍历链表，时间复杂度为 O(n)。
• 随机访问性能差：由于链表的线性结构，随机访问一个元素的时间复杂度为 O(n)。
• 线程不安全：LinkedList 不是线程安全的，如果需要在多线程环境中使用，需要进行额外的同步处理。

2. 构造函数

LinkedList 提供了两个主要的构造函数：

• 默认构造函数：创建一个空链表。

  public LinkedList() {
      first = last = null;
  }
  

• 集合构造函数：根据传入的集合创建链表。

  public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
      this();
      addAll(c);
  }
  

3. 添加元素 (add() 方法)

LinkedList 的 add() 方法可以在链表的末尾添加元素，核心逻辑如下：

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++;
    modCount++;
}

• linkLast()：创建一个新节点，将其链接到链表的尾部。
  • 如果链表为空（last == null），新节点既是头节点也是尾节点。
  • 否则，将新节点作为当前尾节点的后继节点。

LinkedList 的 addll() 方法用于批量添加元素，核心逻辑如下：

public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
    return addAll(size, c);
}

public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
    checkPositionIndex(index);
    Object[] a = c.toArray();
    int numNew = a.length;
    if (numNew == 0)
        return false;

    Node<E> pred, succ;
    if (index == size) {
        succ = null;
        pred = last;
    } else {
        succ = node(index);
        pred = succ.prev;
    }

    for (Object o : a) {
        @SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) o;
        Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, null);
        if (pred == null)
            first = newNode;
        else
            pred.next = newNode;
        pred = newNode;
    }

    if (succ == null) {
        last = pred;
    } else {
        pred.next = succ;
        succ.prev = pred;
    }

    size += numNew;
    modCount++;
    return true;
}

• addAll(int index, Collection<? extends E> c) 方法细节如下：
  • checkPositionIndex(index)：检查索引是否在有效范围内。
  • toArray()：将集合转换为数组，方便后续的批量插入操作。
  • 插入逻辑：根据索引找到插入位置，将新元素逐一插入链表中。
  • 调整前后节点的引用：对于插入位置的前驱和后继节点，调整其引用以保持链表的完整性。
  • 更新链表大小和修改计数：增加链表的 size，并更新 modCount。

4. 获取元素 (get() 方法)

LinkedList 的 get() 方法用于通过索引获取元素，时间复杂度为 O(n)：

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

Node<E> node(int 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;
    }
}

• node() 方法：根据索引在链表中找到对应的节点。
  • 如果索引位于前半部分，从头节点开始遍历。
  • 如果索引位于后半部分，从尾节点开始遍历。

5. 删除元素 (remove() 方法)

LinkedList 的 remove() 方法有两种重载方式，一种是通过索引删除元素，另一种是通过对象删除元素。

• 通过索引删除元素：

  public E remove(int index) {
      checkElementIndex(index);
      return unlink(node(index));
  }
  
  E unlink(Node<E> x) {
      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;
  }
  

  • unlink() 方法：断开要删除节点与链表的连接，并调整前后节点的引用。

6. LinkedList 实现 Deque 的方法特性

LinkedList 还实现了 Deque 接口，使其可以用作双端队列，支持在两端插入和删除元素。以下是 LinkedList 实现 Deque 接口的一些方法及其源码分析：

6.1 添加元素到头部 (addFirst() 方法)

addFirst() 方法用于在链表头部添加元素：

public void addFirst(E e) {
    linkFirst(e);
}

private void linkFirst(E e) {
    final Node<E> f = first;
    final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
    first = newNode;
    if (f == null)
        last = newNode;
    else
        f.prev = newNode;
    size++;
    modCount++;
}

• linkFirst()：创建一个新节点，将其作为链表的头节点。
  • 如果链表为空，新节点既是头节点也是尾节点。
  • 否则，将新节点作为当前头节点的前驱节点。

6.2 添加元素到尾部 (addLast() 方法)

addLast() 方法用于在链表尾部添加元素，与 add() 方法相同：

public void addLast(E e) {
    linkLast(e);
}

• addLast() 方法直接调用 linkLast() 方法，将元素添加到链表的尾部。

6.3 删除头部元素 (removeFirst() 方法)

removeFirst() 方法用于删除链表头部的元素：

public E removeFirst() {
    final Node<E> f = first;
    if (f == null)
        throw new NoSuchElementException();
    return unlinkFirst(f);
}

private E unlinkFirst(Node<E> f) {
    final E element = f.item;
    final Node<E> next = f.next;
    f.item = null;
    f.next = null; // 帮助 GC
    first = next;
    if (next == null)
        last = null;
    else
        next.prev = null;
    size--;
    modCount++;
    return element;
}

• unlinkFirst()：断开头节点与链表的连接，并调整后继节点的引用。
  • 如果链表只有一个节点，删除后头节点和尾节点都设置为 null。

6.4 删除尾部元素 (removeLast() 方法)

removeLast() 方法用于删除链表尾部的元素：

public E removeLast() {
    final Node<E> l = last;
    if (l == null)
        throw new NoSuchElementException();
    return unlinkLast(l);
}

private E unlinkLast(Node<E> l) {
    final E element = l.item;
    final Node<E> prev = l.prev;
    l.item = null;
    l.prev = null; // 帮助 GC
    last = prev;
    if (prev == null)
        first = null;
    else
        prev.next = null;
    size--;
    modCount++;
    return element;
}

• unlinkLast()：断开尾节点与链表的连接，并调整前驱节点的引用。
  • 如果链表只有一个节点，删除后头节点和尾节点都设置为 null。

6.5 获取头部和尾部元素 (getFirst() 和 getLast() 方法)

• getFirst() 方法：

  public E getFirst() {
      final Node<E> f = first;
      if (f == null)
          throw new NoSuchElementException();
      return f.item;
  }
  

  • 获取头节点的元素，如果链表为空则抛出 NoSuchElementException。

• getLast() 方法：

  public E getLast() {
      final Node<E> l = last;
      if (l == null)
          throw new NoSuchElementException();
      return l.item;
  }
  

  • 获取尾节点的元素，如果链表为空则抛出 NoSuchElementException。

7. 与 ArrayList 的比较

特性	ArrayList	LinkedList
底层结构	动态数组	双向链表
随机访问性能	O(1)，查询性能优越	O(n)，需要遍历节点
插入和删除性能	尾部插入性能高；中间插入 O(n)	头尾插入性能高；中间插入 O(n)
内存占用	连续内存块，内存利用率高	每个节点有前后引用，内存占用较大
扩容机制	初始容量 10，每次扩容增至 1.5 倍	无需扩容，动态调整
线程安全	线程不安全	线程不安全

• ArrayList 适用场景：适合频繁随机访问元素、插入和删除操作较少的场景，例如读取数据比较多、写入相对少的场景。
• LinkedList 适用场景：适合频繁插入和删除元素的场景，例如在头尾插入或删除元素的队列实现。

8. 总结

LinkedList 通过实现 Deque 接口，使其可以作为双端队列使用，支持在头尾两端进行高效的插入和删除操作。这些方法的实现利用了链表的双向引用特性，使得在头部和尾部的操作时间复杂度均为 O(1)。在需要频繁在两端进行操作的场景中，LinkedList 是非常合适的选择。