java集合（二）List集合之LinkedList详解
LinkedList
LinkedList是一个以双向链表实现的List，它除了作为List使用，还可以作为队列或者堆栈使用。
LinkedList介绍
LinkedList继承关系
LinkedList简介
LinkedList是一个继承于AbstractSequentialList的双向链表。它也可以被当做堆栈、队列或双端队列进行使用。LinkedList实现List接口，能让它进行队列操作。LinkedList实现Deque接口，即能将LinkedList当做双端队列使用。LinkedList实现Cloneable，即覆盖了函数clone()，能被克隆。LinkedList实现了java.io.Serializable接口，这意味着LinkedList支持序列化，能通过序列化去传输。LinkedList中的操作不是线程安全的。
LinkedList源码分析
AbstractSequentialList介绍
我们在看LinkedList之前先简单介绍下其父类AbstractSequentialList。
AbstractSequentialList继承自AbstractList，是List接口的简化版实现。
AbstractSequentialList只支持按次序访问（链表在内存中不是按顺序存放的，而是通过指针连在一起，为了访问某一元素，必须从链头开始顺着指针才能找到某一个元素。），不像AbstractList可以随机访问。
想要实现一个支持次序访问的List的话，只需要继承这个类，并实现的指定的方法listIterator(int index)和size()。实现ListIterator的hasNext()、next()、hasPrevious()、previous()、previousIndex()就可以获得一个不可修改的列表，如果你想让它可修改还需实现remove()、set(E e)、add(E e)方法。
属性
LinkedList的主要属性如下代码所示:
//链表节点的个数 transient int size = 0; //链表首节点 transient Node<E> first; //链表尾节点 transient Node<E> last;
关于transient关键字的最用可以查看我上次写的ArrayList。
//内部静态类 private static class Node<E> { //当前节点元素值 E item; //下一个节点 Node<E> next; //上一个节点 Node<E> prev; Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) { this.item = element; this.next = next; this.prev = prev; } }
构造函数
无参构造函数
如果不传入参数，则使用默认构造方法创建LinkedList对象，如下：
public LinkedList() { }
此时创建的是一个空的链表。
带Collection对象的构造函数
public LinkedList(Collection<? extends E> c) { this(); addAll(c); }
首先会调用无参数的构造方法，然后调用addAll方法将集合内元素全部加入到链表中，addAll方法我们后面会详细的分析。
从上述的俩个构造方法可以看出LinkedList是一个无界链表，不存在容量不足的问题。
添加元素
LinkedList主要提供addFirst、addLast、add、addAll等方法来实现元素的添加。下面我们一一来看：
//在链表首部添加元素 public void addFirst(E e) { linkFirst(e); }
private void linkFirst(E e) { //将内部保存的首节点点赋值给f final Node<E> f = first; //创建新节点，新节点的next节点是当前的首节点 final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f); //把新节点作为新的首节点 first = newNode; //判断是否是第一个添加的元素 //如果是将新节点赋值给last //如果不是把原首节点的prev设置为新节点 if (f == null) last = newNode; else f.prev = newNode; //更新链表节点个数 size++; //将集合修改次数加1 modCount++; }
//在链表尾部添加元素 public void addLast(E e) { linkLast(e); }
void linkLast(E e) { //将内部保存的尾节点赋值给l final Node<E> l = last; //创建新节点，新节点的prev节点是当前的尾节点 final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null); //把新节点作为新的尾节点 last = newNode; //判断是否是第一个添加的元素 //如果是将新节点赋值给first //如果不是把原首节点的next设置为新节点 if (l == null) first = newNode; else l.next = newNode; //更新链表节点个数 size++; //将集合修改次数加1 modCount++; }
//该方法和addLast方差不多，因为是无界的，所以添加元素总是会成功 public boolean add(E e) { linkLast(e); return true; }
//该方法和上面add方法的区别是，该方法可以指定位置插入元素 public void add(int index, E element) { //判断是否越界 checkPositionIndex(index); //如果index等于链表节点个数，就将元素添加到俩表尾部，否则调用linkBefore方法 if (index == size) linkLast(element); else linkBefore(element, node(index)); }
//获取指定位置的节点 Node<E> node(int index) { //如果index小于size的一半，就从首节点开始遍历，一直获取x的下一个节点 //如果index大于或等于size的一半，就从尾节点开始遍历，一直获取x的上一个节点 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; } }
//将元素插入到指定节点前 void linkBefore(E e, Node<E> succ) { // assert succ != null; //拿到succ的上一节点 final Node<E> pred = succ.prev; //创建新节点 final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ); //将新节点作为succ的上一节点 succ.prev = newNode; //判断succ是否是首节点 //如果是将新节点作为新的首节点 //如果不是将新节点作为pred的下一节点 if (pred == null) first = newNode; else pred.next = newNode; //更新链表节点个数 size++; //将集合修改次数加1 modCount++; }
//将集合内的元素依次插入index位置后 public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) { //判断是否越界 checkPositionIndex(index); //将集合转换为数组 Object[] a = c.toArray(); int numNew = a.length; //判断数组长度是否为0，为0直接返回false if (numNew == 0) return false; //pred上一个节点，succ当前节点 Node<E> pred, succ; //判断index位置是否等于链表元素个数 //如果等于succ赋值为null，pred赋值为当前链表尾节点last //如果不等于succ赋值为index位置的节点，pred赋值为succ的上一个节点 if (index == size) { succ = null; pred = last; } else { succ = node(index); pred = succ.prev; } //循环数组 for (Object o : a) { @SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) o; //创建新节点 Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, null); //如果上一个节点为null，把新节点作为新的首节点，否则pred的下一个节点为新节点 if (pred == null) first = newNode; else pred.next = newNode; //把新节点赋值给上一个节点 pred = newNode; } //如果index位置的节点为null，把pred作业尾节点 //如果不为null，pred的下一节点为index位置的节点，succ的上一节点为pred if (succ == null) { last = pred; } else { pred.next = succ; succ.prev = pred; } //更新链表节点个数 size += numNew; //将集合修改次数加1 modCount++; //因为是无界的，所以添加元素总是会成功 return true; }
看到上面这么多种方式添加元素，其实本质只是三种方式，在链表的首部、尾部、中间位置添加元素。如下图所示：
在链表首尾添加元素很高效，在中间添加元素比较低效，首先要找到插入位置的节点，在修改前后节点的指针。
删除元素
LinkedList提供了remove、removeFirst、removeLast等方法删除元素。
public boolean remove(Object o) { //因为LinkedList允许存在null，所以需要进行null判断 if (o == null) { //从首节点开始遍历 for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) { if (x.item == null) { //调用unlink方法删除指定节点 unlink(x); return true; } } } else { for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) { if (o.equals(x.item)) { unlink(x); return true; } } } return false; }
//删除指定节点 E unlink(Node<E> x) { //获取x节点的元素，以及它上一个节点，和下一个节点 final E element = x.item; final Node<E> next = x.next; final Node<E> prev = x.prev; //如果x的上一个节点为null，说明是首节点，将x的下一个节点设置为新的首节点 //否则将x的上一节点设置为next，将x的上一节点设为null if (prev == null) { first = next; } else { prev.next = next; x.prev = null; } //如果x的下一节点为null，说明是尾节点，将x的上一节点设置新的尾节点 //否则将x的上一节点设置x的上一节点，将x的下一节点设为null if (next == null) { last = prev; } else { next.prev = prev; x.next = null; } //将x节点的元素值设为null，等待垃圾收集器收集 x.item = null; //链表节点个数减1 size--; //将集合修改次数加1 modCount++; //返回删除节点的元素值 return element; }
//删除指定位置的节点，其实和上面的方法差不多 //通过node方法获得指定位置的节点，再通过unlink方法删除 public E remove(int index) { checkElementIndex(index); return unlink(node(index)); }
//删除首节点 public E remove() { return removeFirst(); }
//删除首节点 public E removeFirst() { final Node<E> f = first; //如果首节点为null，说明是空链表，抛出异常 if (f == null) throw new NoSuchElementException(); return unlinkFirst(f); }
//删除首节点 private E unlinkFirst(Node<E> f) { //首节点的元素值 final E element = f.item; //首节点的下一节点 final Node<E> next = f.next; //将首节点的元素值和下一节点设为null，等待垃圾收集器收集 f.item = null; f.next = null; // help GC //将next设置为新的首节点 first = next; //如果next为null，说明说明链表中只有一个节点，把last也设为null //否则把next的上一节点设为null if (next == null) last = null; else next.prev = null; //链表节点个数减1 size--; //将集合修改次数加1 modCount++; //返回删除节点的元素值 return element; }
//删除尾节点 public E removeLast() { final Node<E> l = last; //如果首节点为null，说明是空链表，抛出异常 if (l == null) throw new NoSuchElementException(); return unlinkLast(l); }
private E unlinkLast(Node<E> l) { //尾节点的元素值 final E element = l.item; //尾节点的上一节点 final Node<E> prev = l.prev; //将尾节点的元素值和上一节点设为null，等待垃圾收集器收集 l.item = null; l.prev = null; // help GC //将prev设置新的尾节点 last = prev; //如果prev为null，说明说明链表中只有一个节点，把first也设为null //否则把prev的下一节点设为null if (prev == null) first = null; else prev.next = null; //链表节点个数减1 size--; //将集合修改次数加1 modCount++; //返回删除节点的元素值 return element; }
删除和添加一样，其实本质只有三种方式，即删除首部、尾部、中间节点。如下图所示：
和添加一样，首尾删除很高效，删除中间元素比较低效要先找到节点位置，再修改前后指针。
获取元素
LinkedList提供了get、getFirst、getLast等方法获取节点元素值。
//获取指定位置的元素值 public E get(int index) { //判断是否越界 checkElementIndex(index); //直接调用node方法获取指定位置的节点，并反回其元素值 return node(index).item; }
//获取链表首节点的元素值 public E getFirst() { final Node<E> f = first; //判断是否是空链表，如果是抛出异常，否则直接返回首节点的元素值 if (f == null) throw new NoSuchElementException(); return f.item; }
//获取链表尾节点的元素值 public E getLast() { final Node<E> l = last; //判断是否是空链表，如果是抛出异常，否则直接返回尾节点的元素值 if (l == null) throw new NoSuchElementException(); return l.item; }
更新指定位置节点的元素值
public E set(int index, E element) { //判断是否越界 checkElementIndex(index); //指定位置的节点 Node<E> x = node(index); E oldVal = x.item; //设置新值 x.item = element; //返回老值 return oldVal; }
关于队列的操作
LinkedList可以作为FIFO(First In First Out)的队列，也就是先进先出的队列使用，以下是关于队列的操作。
//获取队列的第一个元素，如果为null会返回null public E peek() { final Node<E> f = first; return (f == null) ? null : f.item; } //获取队列的第一个元素，如果为null会抛出异常 public E element() { return getFirst(); } //获取队列的第一个元素，如果为null会返回null public E poll() { final Node<E> f = first; return (f == null) ? null : unlinkFirst(f); } //获取队列的第一个元素，如果为null会抛出异常 public E remove() { return removeFirst(); } //将元素添加到队列尾部 public boolean offer(E e) { return add(e); }
关于双端队列的操作
双端列队可以作为栈使用，栈的特性是LIFO(Last In First Out)，也就是后进先出。所以作为栈使用也很简单，添加和删除元素都只操作队列的首节点即可。
//将元素添加到首部 public boolean offerFirst(E e) { addFirst(e); return true; } //将元素添加到尾部 public boolean offerLast(E e) { addLast(e); return true; } //获取首部的元素值 public E peekFirst() { final Node<E> f = first; return (f == null) ? null : f.item; } //获取尾部的元素值 public E peekLast() { final Node<E> l = last; return (l == null) ? null : l.item; } //删除首部，如果为null会返回null public E pollFirst() { final Node<E> f = first; return (f == null) ? null : unlinkFirst(f); } //删除尾部，如果为null会返回null public E pollLast() { final Node<E> l = last; return (l == null) ? null : unlinkLast(l); } //将元素添加到首部 public void push(E e) { addFirst(e); } //删除首部，如果为null会抛出异常 public E pop() { return removeFirst(); } //删除链表中元素值等于o的第一个节点，其实和remove方法是一样的，因为内部还是调用的remove方法 public boolean removeFirstOccurrence(Object o) { return remove(o); } //删除链表中元素值等于o的最后一个节点 public boolean removeLastOccurrence(Object o) { //因为LinkedList允许存在null，所以需要进行null判断 if (o == null) { //和remove方法的区别它是从尾节点往前遍历 for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) { if (x.item == null) { //调用unlink方法删除指定节点 unlink(x); return true; } } } else { for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) { if (o.equals(x.item)) { unlink(x); return true; } } } return false; }
其他方法
//判断元素是否存在于链表中 public boolean contains(Object o) { return indexOf(o) != -1; } //从前往后查找返回节点元素值等于o的位置，不存在返回-1 public int indexOf(Object o) { int index = 0; if (o == null) { for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) { if (x.item == null) return index; index++; } } else { for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) { if (o.equals(x.item)) return index; index++; } } return -1; } //该方法和上面indexOf方法相反，它是从后往前查找返回节点元素值等于o的位置，不存在返回-1 public int lastIndexOf(Object o) { int index = size; if (o == null) { for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) { index--; if (x.item == null) return index; } } else { for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) { index--; if (o.equals(x.item)) return index; } } return -1; } //克隆函数，返回LinkedList的克隆对象 public Object clone() { LinkedList<E> clone = superClone(); // 将新建LinkedList置于最初状态 clone.first = clone.last = null; clone.size = 0; clone.modCount = 0; // 将链表中所有节点的数据都添加到克隆对象中 for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) clone.add(x.item); return clone; } //返回LinkedList节点单元素值的Object数组 public Object[] toArray() { Object[] result = new Object[size]; int i = 0; //将链表中所有节点的元素值添加到object数组中 for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) result[i++] = x.item; return result; } // 返回LinkedList的模板数组。所谓模板数组，即可以将T设为任意的数据类型 public <T> T[] toArray(T[] a) { //如果a的长度小于LinkedList节点个数，说明a不能容纳LinkedList的所有节点元素值 //则新建一个数组，数组大小为LinkedList节点个数，并赋值给a if (a.length < size) a = (T[])java.lang.reflect.Array.newInstance( a.getClass().getComponentType(), size); int i = 0; Object[] result = a; // 将链表中所有节点的元素值都添加到数组a中 for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) result[i++] = x.item; if (a.length > size) a[size] = null; return a; } //将LinkedList中的数据写入到输入流中，先写容量，再写数据 private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s) throws java.io.IOException { // Write out any hidden serialization magic s.defaultWriteObject(); // Write out size s.writeInt(size); // Write out all elements in the proper order. for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) s.writeObject(x.item); } //从输入流中读取数据，一样是先读容量，再读数据 private void readObject(java.io.ObjectInputStream s) throws java.io.IOException, ClassNotFoundException { // Read in any hidden serialization magic s.defaultReadObject(); // Read in size int size = s.readInt(); //从输入流中将元素值逐个添加到链表中 // Read in all elements in the proper order. for (int i = 0; i < size; i++) linkLast((E)s.readObject()); }
总结
- LinkedList自己实现了序列化和反序列化，因为它实现了writeObject和readObject方法。
- LinkedList是一个以双向链表实现的List。
- LinkedList还是一个双端队列，具有队列、双端队列、栈的特性。
- LinkedList在首部和尾部添加、删除元素效率高效，在中间添加、删除元素效率较低。
- LinkedList虽然实现了随机访问，但是效率低效，不建议使用。
- LinkedList是线程不安全的。
