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文章标题：Java中的LinkedList如何实现双向链表？
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在Java中，LinkedList 类实现了 List 接口和 Deque 接口，它本质上是一个双向链表。双向链表是一种链式数据结构，其中每个节点都包含三个部分：数据域、指向前一个节点的指针（prev），以及指向后一个节点的指针（next）。这种结构允许从链表的头部或尾部高效地添加、删除元素，同时也支持快速的随机访问（尽管在实际应用中，由于链表的特性，随机访问的效率相对较低，特别是在链表很长时）。下面，我们将深入探讨Java中LinkedList类是如何实现双向链表的，以及它提供的一些关键操作。

双向链表的基本结构

在双向链表中，每个节点（Node）通常包含以下部分：

  • 数据域：存储节点的数据。
  • prev指针：指向前一个节点的引用（或null，如果是第一个节点）。
  • next指针：指向后一个节点的引用（或null，如果是最后一个节点）。

在Java的LinkedList类中，这样的节点被封装为内部类Node，以保持封装性。

LinkedList的内部实现

Node内部类

Java的LinkedList类中定义了一个名为Node的静态内部类，用于表示链表中的节点。这个内部类大致如下（简化版）：

private static class Node<E> {
    E item; // 数据域
    Node<E> next; // 指向下一个节点的指针
    Node<E> prev; // 指向前一个节点的指针

    Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
        this.item = element;
        this.next = next;
        this.prev = prev;
    }
}

主要成员变量

LinkedList类还包含几个关键的成员变量，用于维护链表的状态：

  • size：链表中元素的数量。
  • first：指向链表第一个节点的引用。
  • last：指向链表最后一个节点的引用。

构造函数

LinkedList的构造函数主要初始化这些成员变量，通常将first和last都设置为null，表示一个空链表。

添加元素

在双向链表中添加元素通常涉及修改prev和next指针。例如，在链表末尾添加元素时，需要更新最后一个节点的next指针，使其指向新节点，并更新新节点的prev指针指向原来的最后一个节点，然后将last指针指向新节点。

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++;
}

在链表头部添加元素时，过程类似，但方向相反。

删除元素

删除元素同样需要修改指针。例如，删除链表中的某个节点时，需要将其前一个节点的next指针指向其后一个节点，并将其后一个节点的prev指针指向前一个节点（如果这两个节点存在的话）。然后，将待删除节点的prev和next都设置为null（这一步是可选的，因为一旦没有其他引用指向该节点，它就会被垃圾收集器回收）。

public E remove(int index) {
    checkElementIndex(index);
    return unlink(node(index));
}

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;
}

遍历链表

遍历双向链表可以从头部开始，沿着next指针一直走到链表末尾；或者从尾部开始，沿着prev指针一直走到链表开头。LinkedList类提供了多种遍历方式，包括迭代器（Iterator）和分割器（Spliterator），它们内部都利用了这种双向遍历的能力。

双向链表的优势

双向链表相比单向链表的主要优势在于其双向遍历的能力，这使得在链表两端添加或删除元素变得更加高效。此外，双向链表还可以支持更复杂的操作，比如在不改变元素顺序的情况下反转链表，这在某些应用场景下非常有用。

总结

Java中的LinkedList类通过内部类Node实现了双向链表，利用prev和next指针维护了节点之间的双向连接。这种结构使得LinkedList在添加、删除元素时具有高效的性能，尤其是在链表的两端操作时。同时，双向链表还支持快速的遍历，以及更复杂的链表操作，如反转链表等。通过深入研究LinkedList的内部实现，我们可以更好地理解双向链表的工作原理及其在Java集合框架中的应用。

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