java集合系列-LinkedList

cola

2020-03-18

java

java集合系列-LinkedList，简单介绍LinkedList的底层结构。

概念

LinkedList是一个实现了List接口和Deque接口的双端链表。LinkedList底层的链表结构使它支持高效的 插入、删除 操作，另外它实现了Deque接口，使得LinkedList也有队列的特性；LinkedList不是线程安全的，如果在并发进程中，保证LinkedList的线程安全，可以调用静态类Collections类中的synchronizedList方法。

1	List list = Collections.synchronizedList(new LinkedList());

存储结构

LinkedList类中有一个内部私有类Node：

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;
        }
    }

这个类代表双端链表的节点Node。这个类有三个属性，分别是前驱节点，本节点，后继节点。

每个链表存储了first和last指针：

1 2	transient Node<E> first; transient Node<E> last;

对比ArrayList

线程安全

ArrayList和LinkedList都是不同步的，也就是都不能保证线程安全。

底层数据结构

ArrayList底层是Object数组
LinkedList底层使用双向链表数据结构（jdk1.6之前为循环链表，jdk1.7取消了循环）

插入删除操作

ArrayList采用数组存储，所以插入和删除操作元素的时间复杂度受元素的位置影响。比如add(E e)方法的时候，ArrayList会默认将指定的元素追加到数组的末尾，这种情况的时间复杂度就是O(1),但是如果要在指定位置插入和删除元素的话add(int index,E element),时间复杂度就是O(n)。
LinkedList采用链表存储，所以对于add(E e)方法的插入，删除元素时间复杂度不受元素复杂度不受元素位置的影响，近似O(1),如果是要在指定位置插入和删除元素的话，时间复杂度近似O(n),因为需要先移动到指定位置在插入。

快速随机访问

LinkedList不支持高效的随机元素访问
ArrayList支持高效随机访问，随机访问就是通过元素的序号快速获取元素对象（对应get(int index)方法）。

内存空间

ArrayList的空间浪费主要体现在List列表的结尾会预留一定的容量空间
LinkedList的空间话费体现在它的每个元素都需要消耗比ArrayList更多的空间，因为要存放前边元素和后边元素地址的指针以及数据。

源码分析

构造方法

默认无参数构造器

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// 默认无参数构造器
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);
    }

新增方法

add(E e)方法：将元素添加到链表的尾部

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。
  */
 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

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));
    }

linkBefore方法需要两个参数，一个插入节点的值，一个指定的node，所以我们又调用node

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);
    }

addAll(int index,Collection c)：将集合从指定位置插入

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;
    }

addAll(int index,Collection c)方法通常有四个步骤：

检查index范围是否在size之内
toArray()方法把集合的数据存在对象数组中
得到插入位置的前驱和后继节点
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);
    }

查询方法

get(int index)：根据指定的索引返回数据

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;
    }

获取头结点方法

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。他们会在链表为空时，抛出NoSuchElementException的异常。

获取尾结点(index=-1)方法：

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;
   }

区别：getLast()方法在链表为空时会抛出NoSuchElementException的异常，而peekLast()只会返回null。

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;
   }

根据元素获得位置索引

Int indexOf(Object o):从头遍历

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):从尾部遍历

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;
    }

删除方法

删除头结点

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);
    }

删除尾结点

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

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，只需要remove(Object o),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 x)方法：

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

public E remove(int index) {
        //检查index范围
        checkElementIndex(index);
        //将节点删除
        return unlink(node(index));
    }

常用测试代码

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（从尾部到头部遍历列表）
        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");
    }
}

lusiqi