Java集合系列之LinkedList

 
1、LinkedList简介
 
LinkedList是一个实现了List接口和Deque接口的双端链表。 LinkedList底层的双向链表结构使它支持高效的插入和删除操作，但是很明显查找修改慢。另外它实现了Deque接口，使得LinkedList类也具有队列的特性; LinkedList不是线程安全的，如果想使LinkedList变成线程安全的，可以调用静态类Collections类中的synchronizedList方法；
List list=Collections.synchronizedList(new LinkedList(...));
当需要使用栈或者队列时，可以考虑使用LinkedList，一方面是因为Java官方已经声明不建议使用Stack类，更遗憾的是，Java里根本没有一个叫做Queue的类（它是个接口名字）。关于栈或队列，现在的首选是ArrayDeque，它有着比LinkedList（当作栈或队列使用时）有着更好的性能。 ArrayDeque是JDK容器中的一个双端队列实现，内部使用数组进行元素存储，不允许存储null值，可以高效的进行元素查找和尾部插入取出，是用作队列、双端队列、栈的绝佳选择。
 
2、LinkedList内部结构分析
看完了图之后，我们再看LinkedList类中的一个内部私有类Node就很好理解了：
 
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private static class Node<E> {
        E item;//节点值
        Node<E> next;//后继节点
        Node<E> prev;//前驱节点
        Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
            this.item = element;
            this.next = next;
            this.prev = prev;
        }
    }

Node这个内部类其实很简单，只有三个成员变量和一个构造器，item表示结点的值，next为下一个结点的引用，prev为上一个结点的引用，通过构造器传入这三个值。接下来再看看LinkedList的成员变量和构造器。图示：

 
3、LinkedList源码分析
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//集合元素个数
transient int size = 0;
//头结点引用
transient Node<E> first;
//尾节点引用
transient Node<E> last;
//无参构造器
public LinkedList() {}
//用已有的集合创建链表的构造方法
public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
    this();
    addAll(c);
}

LinkedList 的实现方式决定了所有跟下标相关的操作都是线性时间，而在首段或者末尾删除元素只需要常数时间。

3.1、add方法

add()方法有两个版本，一个是add(E e)，该方法在LinkedList的末尾插入元素，因为有last 指向链表末尾，在末尾插入元素的花费是常数时间。只需要简单修改几个相关引用即可；另一个是add(int index, E element)，该方法是在指定下表处插入元素，需要先通过线性查找找到具体位置，然后修改相关引用完成插入操作。
add(E e) 方法：将元素添加到链表尾部
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public boolean add(E e) {
        linkLast(e);//这里就只调用了这一个方法
        return true;
    }
   /**
     * 链接使e作为最后一个元素。
     */
private void linkLast(E e) {
        final Node<E> l = last;
        final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
        last = newNode;//新建节点
        if (l == null)
            first = newNode;
        else
            l.next = newNode;//指向后继元素也就是指向下一个元素
        size++;
        modCount++;
    }
 
add(int index,E e)：在指定位置添加元素可以分成两部分
  1. 先根据 index 找到要插入的位置；
  2. 修改引用，完成插入操作。
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public void add(int index, E element) {
        checkPositionIndex(index); //检查索引是否处于[0-size]之间
        if (index == size)//添加在链表尾部
            linkLast(element);
        else//添加在链表中间
            linkBefore(element, node(index));
    }
 
LinkedList的添加元素的方法主要是调用linkLast和linkBefore两个方法，linkLast方法是在链表后面链接一个元素，linkBefore方法是在链表中间插入一个元素。 linkBefore方法需要给定两个参数，一个插入节点的值，一个指定的node，所以我们又调用了Node(index)去找到index对应的node。
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//链接到指定结点之前
void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
    //获取给定结点的上一个结点引用
    final Node<E> pred = succ.prev;
    //创建新结点, 新结点的上一个结点引用指向给定结点的上一个结点
    //新结点的下一个结点的引用指向给定的结点
    final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
    //将给定结点的上一个结点引用指向新结点
    succ.prev = newNode;
    //如果给定结点的上一个结点为空, 表明给定结点为头结点
    if (pred == null) {
        //将头结点引用指向新结点
        first = newNode;
    } else {
        //否则, 将给定结点的上一个结点的下一个结点引用指向新结点
        pred.next = newNode;
    }
    //集合元素个数加一
    size++;
    //修改次数加一
    modCount++;
}
 
addAll(Collection c )：将集合插入到链表尾部
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public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
        return addAll(size, c);
    }
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
        //1:检查index范围是否在size之内
        checkPositionIndex(index);
        //2:toArray()方法把集合的数据存到对象数组中
        Object[] a = c.toArray();
        int numNew = a.length;
        if (numNew == 0)
            return false;
        //3：得到插入位置的前驱节点和后继节点
        Node<E> pred, succ;
        //如果插入位置为尾部，前驱节点为last，后继节点为null
        if (index == size) {
            succ = null;
            pred = last;
        }
        //否则，调用node()方法得到后继节点，再得到前驱节点
        else {
            succ = node(index);
            pred = succ.prev;
        }
        // 4：遍历数据将数据插入
        for (Object o : a) {
            @SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) o;
            //创建新节点
            Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, null);
            //如果插入位置在链表头部
            if (pred == null)
                first = newNode;
            else
                pred.next = newNode;
            pred = newNode;
        }
        //如果插入位置在尾部，重置last节点
        if (succ == null) {
            last = pred;
        }
        //否则，将插入的链表与先前链表连接起来
        else {
            pred.next = succ;
            succ.prev = pred;
        }
        size += numNew;
        modCount++;
        return true;
    }   

上面可以看出addAll方法通常包括下面四个步骤：

  1. 检查index范围是否在size之内
  2. toArray()方法把集合的数据存到对象数组中
  3. 得到插入位置的前驱和后继节点
  4. 遍历数据，将数据插入到指定位置
addFirst(E e)： 将元素添加到链表头部
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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);//新建节点，以头节点为后继节点
        first = newNode;
        //如果链表为空，last节点也指向该节点
        if (f == null)
            last = newNode;
        //否则，将头节点的前驱指针指向新节点，也就是指向前一个元素
        else
            f.prev = newNode;
        size++;
        modCount++;
  }
 
addLast(E e)： 将元素添加到链表尾部，与 add(E e) 方法一样
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public void addLast(E e) {
        linkLast(e);
    }

 

3.2、get（）

根据位置取数据的方法

get(int index)： 根据指定索引返回数据
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public E get(int index) {
        //检查index范围是否在size之内
        checkElementIndex(index);
        //调用Node(index)去找到index对应的node然后返回它的值
        return node(index).item;
    }
//获取头节点（index=0）数据方法:
public E getFirst() {
        final Node<E> f = first;
        if (f == null)
            throw new NoSuchElementException();
        return f.item;
    }
public E element() {
        return getFirst();
    }
public E peek() {
        final Node<E> f = first;
        return (f == null) ? null : f.item;
    }
public E peekFirst() {
        final Node<E> f = first;
        return (f == null) ? null : f.item;
     }
 
区别： getFirst(),element(),peek(),peekFirst() 这四个获取头结点方法的区别在于对链表为空时的处理，是抛出异常还是返回null，其中getFirst() 和element() 方法将会在链表为空时，抛出异常
element()方法的内部就是使用getFirst()实现的。它们会在链表为空时，抛出NoSuchElementException 获取尾节点（index=-1）数据方法:
 
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public E getLast() {
        final Node<E> l = last;
        if (l == null)
            throw new NoSuchElementException();
        return l.item;
    }
public E peekLast() {
        final Node<E> l = last;
        return (l == null) ? null : l.item;
    }
 　　
两者区别： getLast() 方法在链表为空时，会抛出NoSuchElementException，而peekLast() 则不会，只是会返回 null。
 
根据对象得到索引的方法
int indexOf(Object o)： 从头遍历找
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public int indexOf(Object o) {
        int index = 0;
        if (o == null) {
            //从头遍历
            for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
                if (x.item == null)
                    return index;
                index++;
            }
        } else {
            //从头遍历
            for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
                if (o.equals(x.item))
                    return index;
                index++;
            }
        }
        return -1;
    }
 
int lastIndexOf(Object o)： 从尾遍历找
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public int lastIndexOf(Object o) {
        int index = size;
        if (o == null) {
            //从尾遍历
            for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) {
                index--;
                if (x.item == null)
                    return index;
            }
        } else {
            //从尾遍历
            for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) {
                index--;
                if (o.equals(x.item))
                    return index;
            }
        }
        return -1;
    }

检查链表是否包含某对象的方法：

contains(Object o)： 检查对象o是否存在于链表中
 
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public boolean contains(Object o) {
        return indexOf(o) != -1;
    }

3.3、删除方法

remove()方法也有两个版本，一个是删除跟指定元素相等的第一个元素remove(Object o)，另一个是删除指定下标处的元素remove(int index)。两个删除操作都要：
  1. 先找到要删除元素的引用；
  2. 修改相关引用，完成删除操作。
在寻找被删元素引用的时候remove(Object o)调用的是元素的 equals 方法，而remove(int index)使用的是下标计数，两种方式都是线性时间复杂度。在步骤 2 中，两个revome()方法都是通过unlink(Node<E> x)`方法完成的。这里需要考虑删除元素是第一个或者最后一个时的边界情况。  
 
remove() ,removeFirst(),pop(): 删除头节点
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public E pop() {
        return removeFirst();
    }
public E remove() {
        return removeFirst();
    }
public E removeFirst() {
        final Node<E> f = first;
        if (f == null)
            throw new NoSuchElementException();
        return unlinkFirst(f);
    }
 
removeLast(),pollLast(): 删除尾节点
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public E removeLast() {
        final Node<E> l = last;
        if (l == null)
            throw new NoSuchElementException();
        return unlinkLast(l);
    }
public E pollLast() {
        final Node<E> l = last;
        return (l == null) ? null : unlinkLast(l);
    }
 
区别： removeLast()在链表为空时将抛出NoSuchElementException，而pollLast()方法返回null。
 
remove(Object o): 删除指定元素
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public boolean remove(Object o) {
        //如果删除对象为null
        if (o == null) {
            //从头开始遍历
            for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
                //找到元素
                if (x.item == null) {
                   //从链表中移除找到的元素
                    unlink(x);
                    return true;
                }
            }
        } else {
            //从头开始遍历
            for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
                //找到元素
                if (o.equals(x.item)) {
                    //从链表中移除找到的元素
                    unlink(x);
                    return true;
                }
            }
        }
        return false;
    }
当删除指定对象时，只需调用remove(Object o)即可，不过该方法一次只会删除一个匹配的对象，如果删除了匹配对象，返回true，否则false。
unlink(Node<E> x) 方法：
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E unlink(Node<E> x) {
        // assert x != null;
        final E element = x.item;
        final Node<E> next = x.next;//得到后继节点
        final Node<E> prev = x.prev;//得到前驱节点
        //删除前驱指针
        if (prev == null) {
            first = next;//如果删除的节点是头节点,令头节点指向该节点的后继节点
        } else {
            prev.next = next;//将前驱节点的后继节点指向后继节点
            x.prev = null;
        }
        //删除后继指针
        if (next == null) {
            last = prev;//如果删除的节点是尾节点,令尾节点指向该节点的前驱节点
        } else {
            next.prev = prev;
            x.next = null;
        }
        x.item = null;
        size--;
        modCount++;
        return element;
    }
 
remove(int index)：删除指定位置的元素
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public E remove(int index) {
        //检查index范围
        checkElementIndex(index);
        //将节点删除
        return unlink(node(index));
    }
 
4、LinkedList常用方法分析
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import java.util.Iterator;
import java.util.LinkedList;
public class LinkedListDemo {
    public static void main(String[] srgs) {
        //创建存放int类型的linkedList
        LinkedList<Integer> linkedList = new LinkedList<>();
        /************************** linkedList的基本操作 ************************/
        linkedList.addFirst(0); // 添加元素到列表开头
        linkedList.add(1); // 在列表结尾添加元素
        linkedList.add(2, 2); // 在指定位置添加元素
        linkedList.addLast(3); // 添加元素到列表结尾
         
        System.out.println("LinkedList（直接输出的）: " + linkedList);
        System.out.println("getFirst()获得第一个元素: " + linkedList.getFirst()); // 返回此列表的第一个元素
        System.out.println("getLast()获得第最后一个元素: " + linkedList.getLast()); // 返回此列表的最后一个元素
        System.out.println("removeFirst()删除第一个元素并返回: " + linkedList.removeFirst()); // 移除并返回此列表的第一个元素
        System.out.println("removeLast()删除最后一个元素并返回: " + linkedList.removeLast()); // 移除并返回此列表的最后一个元素
        System.out.println("After remove:" + linkedList);
        System.out.println("contains()方法判断列表是否包含1这个元素:" + linkedList.contains(1)); // 判断此列表包含指定元素，如果是，则返回true
        System.out.println("该linkedList的大小 : " + linkedList.size()); // 返回此列表的元素个数
        /************************** 位置访问操作 ************************/
        System.out.println("-----------------------------------------");
        linkedList.set(1, 3); // 将此列表中指定位置的元素替换为指定的元素
        System.out.println("After set(1, 3):" + linkedList);
        System.out.println("get(1)获得指定位置（这里为1）的元素: " + linkedList.get(1)); // 返回此列表中指定位置处的元素
        /************************** Search操作 ************************/
        System.out.println("-----------------------------------------");
        linkedList.add(3);
        System.out.println("indexOf(3): " + linkedList.indexOf(3)); // 返回此列表中首次出现的指定元素的索引
        System.out.println("lastIndexOf(3): " + linkedList.lastIndexOf(3));// 返回此列表中最后出现的指定元素的索引
        /************************** Queue操作 ************************/
        System.out.println("-----------------------------------------");
        System.out.println("peek(): " + linkedList.peek()); // 获取但不移除此列表的头
        System.out.println("element(): " + linkedList.element()); // 获取但不移除此列表的头
        linkedList.poll(); // 获取并移除此列表的头
        System.out.println("After poll():" + linkedList);
        linkedList.remove();
        System.out.println("After remove():" + linkedList); // 获取并移除此列表的头
        linkedList.offer(4);
        System.out.println("After offer(4):" + linkedList); // 将指定元素添加到此列表的末尾
        /************************** Deque操作 ************************/
        System.out.println("-----------------------------------------");
        linkedList.offerFirst(2); // 在此列表的开头插入指定的元素
        System.out.println("After offerFirst(2):" + linkedList);
        linkedList.offerLast(5); // 在此列表末尾插入指定的元素
        System.out.println("After offerLast(5):" + linkedList);
        System.out.println("peekFirst(): " + linkedList.peekFirst()); // 获取但不移除此列表的第一个元素
        System.out.println("peekLast(): " + linkedList.peekLast()); // 获取但不移除此列表的第一个元素
        linkedList.pollFirst(); // 获取并移除此列表的第一个元素
        System.out.println("After pollFirst():" + linkedList);
        linkedList.pollLast(); // 获取并移除此列表的最后一个元素
        System.out.println("After pollLast():" + linkedList);
        linkedList.push(2); // 将元素推入此列表所表示的堆栈（插入到列表的头）
        System.out.println("After push(2):" + linkedList);
        linkedList.pop(); // 从此列表所表示的堆栈处弹出一个元素（获取并移除列表第一个元素）
        System.out.println("After pop():" + linkedList);
        linkedList.add(3);
        linkedList.removeFirstOccurrence(3); // 从此列表中移除第一次出现的指定元素（从头部到尾部遍历列表）
        System.out.println("After removeFirstOccurrence(3):" + linkedList);
        linkedList.removeLastOccurrence(3); // 从此列表中移除最后一次出现的指定元素（从头部到尾部遍历列表）
        System.out.println("After removeFirstOccurrence(3):" + linkedList);
        /************************** 遍历操作 ************************/
        System.out.println("-----------------------------------------");
        linkedList.clear();
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            linkedList.add(i);
        }
        // 迭代器遍历
        long start = System.currentTimeMillis();
        Iterator<Integer> iterator = linkedList.iterator();
        while (iterator.hasNext()) {
            iterator.next();
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("Iterator：" + (end - start) + " ms");
        // 顺序遍历(随机遍历)
        start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < linkedList.size(); i++) {
            linkedList.get(i);
        }
        end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("for：" + (end - start) + " ms");
        // 另一种for循环遍历
        start = System.currentTimeMillis();
        for (Integer i : linkedList)
            ;
        end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("for2：" + (end - start) + " ms");
        // 通过pollFirst()或pollLast()来遍历LinkedList
        LinkedList<Integer> temp1 = new LinkedList<>();
        temp1.addAll(linkedList);
        start = System.currentTimeMillis();
        while (temp1.size() != 0) {
            temp1.pollFirst();
        }
        end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("pollFirst()或pollLast()：" + (end - start) + " ms");
        // 通过removeFirst()或removeLast()来遍历LinkedList
        LinkedList<Integer> temp2 = new LinkedList<>();
        temp2.addAll(linkedList);
        start = System.currentTimeMillis();
        while (temp2.size() != 0) {
            temp2.removeFirst();
        }
        end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("removeFirst()或removeLast()：" + (end - start) + " ms");
    }
}
 
5、总结
 
不管是单向队列还是双向队列还是栈，其实都是对链表的头结点和尾结点进行操作，它们的实现都是基于addFirst()，addLast()，removeFirst()，removeLast()这四个方法，它们的操作和linkBefore()和unlink()类似，只不过一个是对链表两端操作，一个是对链表中间操作。可以说这四个方法都是linkBefore()和unlink()方法的特殊情况，因此不难理解它们的内部实现，在此不多做介绍。到这里，我们对LinkedList的分析也即将结束，对全文中的重点做个总结：
  • 1. LinkedList是基于双向链表实现的，不论是增删改查方法还是队列和栈的实现，都可通过操作结点实现
  • 2. LinkedList无需提前指定容量，因为基于链表操作，集合的容量随着元素的加入自动增加
  • 3. LinkedList删除元素后集合占用的内存自动缩小，无需像ArrayList一样调用trimToSize()方法
  • 4. LinkedList的所有方法没有进行同步，因此它也不是线程安全的，应该避免在多线程环境下使用
 
参考：https://www.cnblogs.com/CarpenterLee/p/5541111.html
 
 
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