Java基础之容器LinkedList

一、LinkedList的整体结构

1.1、LinkedList的继承关系

• public class LinkedList<E> extends AbstractSequentialList <E> implements List<E>, Deque<E>
• LinkedList具备AbstractSequentialList的特点：AbstractSequentialList 只支持按次序访问，而不像 AbstractList 那样支持随机访问
• LinkedList具备List的特点
• LinkedList具备Deque的特点：Deque是一个线性collection，支持在两端插入和移除元素

1.2、LinkedList的结构

//元素个数
transient int size = 0;
//第一个元素指针
transient Node<E> first;
//最后一个元素指针
transient Node<E> last;
//Node节点的结构
private static class Node<E> {
    E item;//当前元素
    Node<E> next;//当前元素的下一个指针
    Node<E> prev;//当前元素的上一个指针
    Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
        this.item = element;
        this.next = next;
        this.prev = prev;
    }
}

1.2.1 Node的结构

LinkedList结构

LinkedList特点

1.LinkedList是通过双链表去实现的。

2.LinkedList不存在容量不足的问题，因为是链表。

3.LinkedList实现了Deque，而Deque接口定义了在双端队列两端访问元素的方法，所以LinkedList可以作为FIFO（先进先出）的队列；LinkedList可以作为LIFO（后进先出）的栈

二、源码分析

2.1、添加元素

//添加元素
public boolean add(E e) {
    //默认调用，尾部添加元素的方法
    linkLast(e);
    return true;
}
//尾部添加元素
void linkLast(E e) {
    //记录当前尾部元素
    final Node<E> l = last;
    //创建一个新的Node节点 ，prev是当前的尾节点，next指向null
    final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
    //将last设置为新节点
    last = newNode;
    //判断当前尾部节点是否为null
    if (l == null)
        //当前尾部节点为null，就挂到头结点上
        first = newNode;
    else
        //当前尾部节点不为null，就将新建的Node挂到当前last节点的next指针上
        l.next = newNode;
    //元素的个数+1
    size++;
    //LinkedList修改记录+1
    modCount++;
}

新增元素add()方法默认是尾部追加，核心就是将新建的Node节点追加到当前last节点的next指针上 ，伪代码：

Node newNode=new Node();
newNode.prev=last;
last.next=newNode;
last=newNode;
last.next=null;

addFirst：首部追加

public void addFirst(E e) {
    linkFirst(e);
}
//头部追加
private void linkFirst(E e) {
    //记录当前首部元素
    final Node<E> f = first;
    //新建一个Node节点
    final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
    //首部元素指向新建的节点
    first = newNode;
    //判断当前首部指针是否为null
    if (f == null)
        //当前首部指针为null,就把新建的节点挂到last指针上
        last = newNode;
    else
        //当前首部指针不为null,就把新建的节点挂到，当前first指针指向元素的prev指针上
        f.prev = newNode;
    //元素个数+1
    size++;
    //LinkedList修改记录+1
    modCount++;
}

首部追加的逻辑与尾部追加基本相同，伪代码：

Node newNode=new Node();
newNode.next=first;
first.prev=newNode;
first=newNode;
first.prev=null;(也可以：newNode.prev=null)

指定位置添加元素：add(int index, E element)：

public void add(int index, E element) {
    //检查要插入的位置是否合法
    checkPositionIndex(index);
    //如要插入的位置在最后，直接调用linkLast()
    if (index == size)
        linkLast(element);
    else
        //如要插入的位置不在最后，就先查找再插入
        linkBefore(element, node(index));
}

//查找要插入元素的位置
Node<E> node(int index) {
    // assert isElementIndex(index);
    //如果要插入的位置小于集合的一半，我就从头开始找
    if (index < (size >> 1)) {
        Node<E> x = first;
        for (int i = 0; i < index; i++)
            x = x.next;
        return x;
    } else {
        //如果要插入的位置大于等于集合的一半，我就从尾部开始找
        Node<E> x = last;
        for (int i = size - 1; i > index; i--)
            x = x.prev;
        return x;
    }
}
//将新建的元素插入到查找的元素前面
void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
    // assert succ != null;
    final Node<E> pred = succ.prev;
    final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
    succ.prev = newNode;
    if (pred == null)
        first = newNode;
    else
        pred.next = newNode;
    size++;
    modCount++;
}

LinkedList是一个双向链表，他只记录了头部和尾部位置，如果我们要指定位置插入，他会这么做：

1.先遍历查找出要插入的元素位置，然后再插入；查找方式是根据 index < (size >> 1) 判断结果，决定是从头遍历，还是从尾部遍历，这种遍历方式类似于二分查找(只在第一层循环二分)

2.新建一个Node节点，插入到查找出来的元素的前面

由此可知为何链表对随机位置读写是不合适的；他的时间复杂度=O(n/2) ，如果n很大，我们一般就认为他的时间复杂度=O(n)

2.2、删除元素

//重写List的remove()
public boolean remove(Object o) {
    if (o == null) {
        //如果要删除的元素null元素,从头开始查找这个null元素
        for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
            if (x.item == null) {
                unlink(x);
                return true;
            }
        }
    } else {
         //如果要删除的元素不null元素,从头开始查找这个非null元素
        for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
            if (o.equals(x.item)) {
                unlink(x);
                return true;
            }
        }
    }
    return false;
}
//执行删除逻辑，实质就是打断改元素与链表的引用关系
E unlink(Node<E> x) {
    // assert x != null;
    //记录改元素的值，实际作用就是做返回值
    final E element = x.item;
    //记录当前元素的下一个节点
    final Node<E> next = x.next;
    //记录当前元素的上一个节点
    final Node<E> prev = x.prev;
    //判断 x->prev 节点是否为null，为null就是删除头结点
    if (prev == null) {
        first = next;
    } else {
        //将 x->prev节点的next指针指向x节点的下一个节点
        prev.next = next;
        //将 x->prev 指针，设置为null(断开引用关系)
        x.prev = null;
    }
     //判断 x->next 节点是否为null，为null就是删尾部结点
    if (next == null) {
        last = prev;
    } else {
        //将x->next节点的prev指针指向x->prev
        next.prev = prev;
        //将 x->next指针，设置为null(断开引用关系)
        x.next = null;
    }
    //将x的值设置为null
    x.item = null;
    //集合大小-1
    size--;
    //集合的修改记录-1
    modCount++;
    return element;
}

这里我们看到LinkedList重写了List的remove方法，整个删除逻辑也是先查找再删除，时间复杂度O(n)，如果是删除首部元素时间复杂度=O(1)，若要删除尾部元素请使用removeLast( )

• LinkedLis删除首部元素：removeFirst()
• LinkedLis删除尾部元素：removeLast()
• LinkedLis首部出队：pollFirst( ) ，队列的特点
• LinkedLit尾部出队：pollLast( )，队列的特点

2.3、迭代器

Iterator迭代器只能是从头往尾迭代，而LinkedList是双向链表，他还可以从尾往头部迭代，JAVA提供了一个新的迭代器接口：

public interface ListIterator<E> extends Iterator<E>{
    //判断是否存在下一个元素
    boolean hasNext();
    //获取下一个元素
    E next();
    //判断是否还有前一个元素
    boolean hasPrevious();
    //获取前一个元素
    E previous();
}

LinkedList实现该接口：

private class ListItr implements ListIterator<E> {
    private Node<E> lastReturned;//上一次next() 或者 previous()的元素
    private Node<E> next;//lastReturned->next 指向的元素
    private int nextIndex;//下一个元素的位置
    private int expectedModCount = modCount;
}

LinkedList从前往后遍历：

//是否存在下一个元素
public boolean hasNext() {
    return nextIndex < size;
}
public E next() {
    //检查集合的版本
    checkForComodification();
    if (!hasNext())
        throw new NoSuchElementException();
    //lastReturned赋值上次next
    lastReturned = next;
    //next赋值为上次next->next
    next = next.next;
    //下一个元素的位置
    nextIndex++;
    return lastReturned.item;
}

LinkedList从后往前遍历：

//判断是否到头了
public boolean hasPrevious() {
    return nextIndex > 0;
}
//从尾部往头部取数据
public E previous() {
    checkForComodification();
    if (!hasPrevious())
        throw new NoSuchElementException();
    // next==null：第一次遍历取尾节点(last)，或者上一次遍历时把尾节点删除掉了
    // next!=null：已经发生过遍历了，直接取前一个节点即可(next.prev)
    lastReturned = next = (next == null) ? last : next.prev;
    //遍历的指针-1
    nextIndex--;
    return lastReturned.item;
}

迭代器删除元素：

public void remove() {
    checkForComodification();
    // lastReturned 是本次迭代需要删除的值
    // lastReturned==null则调用者没有主动执行过 next() 或者 previos()，二直接调remove()
    // lastReturned!=null，是在上次执行 next() 或者 previos()方法时赋的值
    if (lastReturned == null)
        throw new IllegalStateException();
    //保存将当前要删除节点的下一个节点(如果是从尾往头遍历，该值永远是null)
    Node<E> lastNext = lastReturned.next;
    //删除当前节点
    unlink(lastReturned);

    // next == lastReturned：从尾到头递归顺序，并且是第一次迭代，并且要删除最后一个元素的情况下，
    // previous() 方法里面设置了 lastReturned = next = last,所以 next 和 lastReturned会相等
    if (next == lastReturned)
        next = lastNext;
    else
        nextIndex--;
    lastReturned = null;
    expectedModCount++;
}

三、总结

LinkedList底层数据结构是双向链表，所以他更适合顺序操作，由于他继承了Deque接口，同时他具有队列的性质，非线程安全的集合

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