java集合之LinkedList源码分析

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## 问题 (1)LinkedList只是一个List吗? (2)LinkedList还有其它什么特性吗? (3)LinkedList为啥经常拿出来跟ArrayList比较? (4)我为什么把LinkedList放在最后一章来讲? ## 简介 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栈来使用,它是怎么实现的呢?让我们一起来学习吧。 ## 继承体系 ![qrcode](https://gitee.com/alan-tang-tt/yuan/raw/master/死磕%20java集合系列/resource/LinkedList.png) 通过继承体系,我们可以看到LinkedList不仅实现了List接口,还实现了Queue和Deque接口,所以它既能作为List使用,也能作为双端队列使用,当然也可以作为栈使用。 ## 源码分析 ### 主要属性 ```java // 元素个数 transient int size = 0; // 链表首节点 transient Node<E> first; // 链表尾节点 transient Node<E> last; ``` 属性很简单,定义了元素个数size和链表的首尾节点。 ### 主要内部类 典型的双链表结构。 ```java 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; } } ``` ### 主要构造方法 ```java public LinkedList() { } public LinkedList(Collection<? extends E> c) { this(); addAll(c); } ``` 两个构造方法也很简单,可以看出是一个无界的队列。 ### 添加元素 作为一个双端队列,添加元素主要有两种,一种是在队列尾部添加元素,一种是在队列首部添加元素,这两种形式在LinkedList中主要是通过下面两个方法来实现的。 ```java // 从队列首添加元素 private void linkFirst(E e) { // 首节点 final Node<E> f = first; // 创建新节点,新节点的next是首节点 final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f); // 让新节点作为新的首节点 first = newNode; // 判断是不是第一个添加的元素 // 如果是就把last也置为新节点 // 否则把原首节点的prev指针置为新节点 if (f == null) last = newNode; else f.prev = newNode; // 元素个数加1 size++; // 修改次数加1,说明这是一个支持fail-fast的集合 modCount++; } // 从队列尾添加元素 void linkLast(E e) { // 队列尾节点 final Node<E> l = last; // 创建新节点,新节点的prev是尾节点 final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null); // 让新节点成为新的尾节点 last = newNode; // 判断是不是第一个添加的元素 // 如果是就把first也置为新节点 // 否则把原尾节点的next指针置为新节点 if (l == null) first = newNode; else l.next = newNode; // 元素个数加1 size++; // 修改次数加1 modCount++; } public void addFirst(E e) { linkFirst(e); } public void addLast(E e) { linkLast(e); } // 作为无界队列,添加元素总是会成功的 public boolean offerFirst(E e) { addFirst(e); return true; } public boolean offerLast(E e) { addLast(e); return true; } ``` 典型的双链表在首尾添加元素的方法,代码比较简单,这里不作详细描述了。 上面是作为双端队列来看,它的添加元素分为首尾添加元素,那么,作为List呢? 作为List,是要支持在中间添加元素的,主要是通过下面这个方法实现的。 ```java // 在节点succ之前添加元素 void linkBefore(E e, Node<E> succ) { // succ是待添加节点的后继节点 // 找到待添加节点的前置节点 final Node<E> pred = succ.prev; // 在其前置节点和后继节点之间创建一个新节点 final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ); // 修改后继节点的前置指针指向新节点 succ.prev = newNode; // 判断前置节点是否为空 // 如果为空,说明是第一个添加的元素,修改first指针 // 否则修改前置节点的next为新节点 if (pred == null) first = newNode; else pred.next = newNode; // 修改元素个数 size++; // 修改次数加1 modCount++; } // 寻找index位置的节点 Node<E> node(int index) { // 因为是双链表 // 所以根据index是在前半段还是后半段决定从前遍历还是从后遍历 // 这样index在后半段的时候可以少遍历一半的元素 if (index < (size >> 1)) { // 如果是在前半段 // 就从前遍历 Node<E> x = first; for (int i = 0; i < index; i++) x = x.next; return x; } else { // 如果是在后半段 // 就从后遍历 Node<E> x = last; for (int i = size - 1; i > index; i--) x = x.prev; return x; } } // 在指定index位置处添加元素 public void add(int index, E element) { // 判断是否越界 checkPositionIndex(index); // 如果index是在队列尾节点之后的一个位置 // 把新节点直接添加到尾节点之后 // 否则调用linkBefore()方法在中间添加节点 if (index == size) linkLast(element); else linkBefore(element, node(index)); } ``` 在中间添加元素的方法也很简单,典型的双链表在中间添加元素的方法。 添加元素的三种方式大致如下图所示: ![qrcode](https://gitee.com/alan-tang-tt/yuan/raw/master/死磕%20java集合系列/resource/LinkedList-1.png) 在队列首尾添加元素很高效,时间复杂度为O(1)。 在中间添加元素比较低效,首先要先找到插入位置的节点,再修改前后节点的指针,时间复杂度为O(n)。 ### 删除元素 作为双端队列,删除元素也有两种方式,一种是队列首删除元素,一种是队列尾删除元素。 作为List,又要支持中间删除元素,所以删除元素一个有三个方法,分别如下。 ```java // 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next指针 final Node<E> next = f.next; // 添加首节点的内容,协助GC f.item = null; f.next = null; // help GC // 把首节点的next作为新的首节点 first = next; // 如果只有一个元素,删除了,把last也置为空 // 否则把next的前置指针置为空 if (next == null) last = null; else next.prev = null; // 元素个数减1 size--; // 修改次数加1 modCount++; // 返回删除的元素 return element; } // 删除尾节点 private E unlinkLast(Node<E> l) { // 尾节点的元素值 final E element = l.item; // 尾节点的前置指针 final Node<E> prev = l.prev; // 清空尾节点的内容,协助GC l.item = null; l.prev = null; // help GC // 让前置节点成为新的尾节点 last = prev; // 如果只有一个元素,删除了把first置为空 // 否则把前置节点的next置为空 if (prev == null) first = null; else prev.next = null; // 元素个数减1 size--; // 修改次数加1 modCount++; // 返回删除的元素 return element; } // 删除指定节点x E unlink(Node<E> x) { // x的元素值 final E element = x.item; // x的前置节点 final Node<E> next = x.next; // x的后置节点 final Node<E> prev = x.prev; // 如果前置节点为空 // 说明是首节点,让first指向x的后置节点 // 否则修改前置节点的next为x的后置节点 if (prev == null) { first = next; } else { prev.next = next; x.prev = null; } // 如果后置节点为空 // 说明是尾节点,让last指向x的前置节点 // 否则修改后置节点的prev为x的前置节点 if (next == null) { last = prev; } else { next.prev = prev; x.next = null; } // 清空x的元素值,协助GC x.item = null; // 元素个数减1 size--; // 修改次数加1 modCount++; // 返回删除的元素 return element; } // remove的时候如果没有元素抛出异常 public E removeFirst() { final Node<E> f = first; if (f == null) throw new NoSuchElementException(); return unlinkFirst(f); } // remove的时候如果没有元素抛出异常 public E removeLast() { final Node<E> l = last; if (l == null) throw new NoSuchElementException(); return unlinkLast(l); } // poll的时候如果没有元素返回null public E pollFirst() { final Node<E> f = first; return (f == null) ? null : unlinkFirst(f); } // poll的时候如果没有元素返回null public E pollLast() { final Node<E> l = last; return (l == null) ? null : unlinkLast(l); } // 删除中间节点 public E remove(int index) { // 检查是否越界 checkElementIndex(index); // 删除指定index位置的节点 return unlink(node(index)); } ``` 删除元素的三种方法都是典型的双链表删除元素的方法,大致流程如下图所示。 ![qrcode](https://gitee.com/alan-tang-tt/yuan/raw/master/死磕%20java集合系列/resource/LinkedList-2.png) 在队列首尾删除元素很高效,时间复杂度为O(1)。 在中间删除元素比较低效,首先要找到删除位置的节点,再修改前后指针,时间复杂度为O(n)。 ## 栈 前面我们说了,LinkedList是双端队列,还记得双端队列可以作为栈使用吗? ```java public void push(E e) { addFirst(e); } public E pop() { return removeFirst(); } ``` 栈的特性是LIFO(Last In First Out),所以作为栈使用也很简单,添加删除元素都只操作队列首节点即可。 ## 总结 (1)LinkedList是一个以双链表实现的List; (2)LinkedList还是一个双端队列,具有队列、双端队列、栈的特性; (3)LinkedList在队列首尾添加、删除元素非常高效,时间复杂度为O(1); (4)LinkedList在中间添加、删除元素比较低效,时间复杂度为O(n); (5)LinkedList不支持随机访问,所以访问非队列首尾的元素比较低效; (6)LinkedList在功能上等于ArrayList + ArrayDeque; ## 彩蛋 java集合部分的源码分析全部完结,整个专题以ArrayList开头,以LinkedList结尾,我觉得非常合适,因为ArrayList代表了List的典型实现,LInkedList代表了Deque的典型实现,同时LinkedList也实现了List,通过这两个类一首一尾正好可以把整个集合贯穿起来。 还记得我们一共分析了哪些类吗? 下一章,笔者将对整个java集合做一个总结,并提出一些阅读源码过程中的问题,敬请期待^^
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