Java 中 LinkedList 的底层数据结构及相关分析

Java 中 LinkedList 的底层数据结构及相关分析

1. 概述

LinkedList 是 Java 集合框架(Java Collections Framework,JCF)中的一个双向链表实现,它位于 java.util 包下,支持 列表(List)队列(Queue) 相关操作。

LinkedList 中,元素的存储方式不同于 ArrayList,它使用 链表 结构来存储元素,因此在某些场景下比 ArrayList 具有更好的性能表现。


2. LinkedList 的底层数据结构

2.1 底层实现

LinkedList 的底层是一个 双向链表(Doubly Linked List) ,它的基本存储单元是 Node(内部静态类),每个节点包含:

  • 数据域 (item):存储当前节点的数据。
  • 前驱指针 (prev):指向前一个节点。
  • 后继指针 (next):指向后一个节点。

2.2 源码解析(JDK 8)

Node 内部类的实现如下:

java 复制代码
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;
    }
}

LinkedList 通过 firstlast 维护头尾节点:

java 复制代码
transient Node<E> first;
transient Node<E> last;

3. LinkedList 的实现原理

3.1 添加元素

add(E e) (默认尾部添加)
  1. 创建新节点。
  2. 让新节点的 prev 指向旧的 last,并更新 last 指针。
  3. 若链表为空,则 first 也指向该节点。

示例代码:

java 复制代码
public boolean add(E e) {
    linkLast(e);
    return true;
}

private 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;
}
add(int index, E element) (指定位置插入)
  1. 先找到索引位置的前驱和后继节点。
  2. 让新节点的 prevnext 指向前驱和后继。
  3. 更新前驱和后继节点的指针。

3.2 删除元素

  • removeFirst() :删除 first 指向的节点,调整 first 指针。
  • removeLast() :删除 last 指向的节点,调整 last 指针。
  • remove(index):找到索引对应节点,调整前后指针。

示例代码(删除头节点):

java 复制代码
private E unlinkFirst(Node<E> f) {
    final E element = f.item;
    final Node<E> next = f.next;
    f.item = null;
    f.next = null; // help GC
    first = next;
    if (next == null)
        last = null;
    else
        next.prev = null;
    return element;
}

3.3 查找元素

  • get(int index):通过索引访问元素。
  • contains(Object o):遍历链表检查是否包含该元素。
  • indexOf(Object o):遍历链表查找元素的索引。

get(int index) 方法会从 firstlast 开始遍历(优化访问):

java 复制代码
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;
    }
}

4. LinkedList 的应用场景

4.1 适用场景

  • 频繁插入和删除元素 (避免 ArrayList 频繁扩容和移动元素)。
  • 作为队列(Queue)使用 ,如 Deque 结构(poll()、peek() 操作)。
  • 作为栈(Stack)使用 ,如 push()、pop() 操作。
  • 需要双向遍历的场景

4.2 不适用场景

  • 需要频繁随机访问的情况get(index) 需要 O(n) 时间。
  • 存储大量数据时,链表结构的额外指针占用较多内存。

5. LinkedList 的优缺点

5.1 优点

✅ 插入和删除操作效率高,时间复杂度 O(1)。

✅ 适用于 FIFO 队列和 LIFO 栈操作。

✅ 动态分配内存,避免 ArrayList 频繁扩容。

5.2 缺点

❌ 访问元素效率低,查找时间复杂度 O(n)。

❌ 额外的 prevnext 指针增加内存占用。

❌ 不适用于高并发场景(非线程安全)。


6. 替代方案

需求 适用数据结构
频繁插入、删除 LinkedList
频繁随机访问 ArrayList
线程安全的队列 ConcurrentLinkedQueue
线程安全的栈 Stack(不推荐),Deque(推荐)
需要自动扩容 ArrayList

示例:如果希望使用线程安全的队列,可以使用 ConcurrentLinkedQueue

java 复制代码
Queue<Integer> queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();
queue.add(10);
queue.add(20);
System.out.println(queue.poll()); // 输出 10

7. 总结

  • LinkedList 底层是 双向链表 ,适用于 频繁插入/删除 ,但 随机访问较慢
  • 适用于 队列(FIFO)、栈(LIFO) 相关应用。
  • 在大多数情况下,ArrayListLinkedList 更合适,除非有特殊需求。
  • 需要线程安全时,可使用 ConcurrentLinkedQueueCopyOnWriteArrayList 等。
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