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LinkedList源码理解

LinkedList是也是非常常见的集合类,LinkedList是基于链表实现的集合。它拥有List集合的特点:存取有序带索引允许重复元素还拥有Deque集合的特点:先入先出双端操作它本身的特点是:对元素进行插入或者删除,只需要更改一些数据,不需要元素进行移动。依然是通过源码来看看LinkedLis

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    LinkedList是也是非常常见的集合类,LinkedList是基于链表实现的集合。它拥有List集合的特点:

    • 存取有序
    • 带索引
    • 允许重复元素

    还拥有Deque集合的特点:

    • 先入先出
    • 双端操作

    它本身的特点是:

    • 对元素进行插入或者删除,只需要更改一些数据,不需要元素进行移动。

    依然是通过源码来看看LinkedList如何实现自己的特性的。

    Doubly-linked list implementation of the {@code List} and {@code Deque} interfaces. Implements all optional list operations,and permits all elements (including {@code null}).

    对于List接口和Deque接口的双链表实现。实现了所有List接口的操作并且能存储所有的元素。

    public class LinkedList extends AbstractSequentialList
    implements List, Deque, Cloneable, ja va.io.Serializable

    可以看到LinkedList实现了一个Deque接口,其实是说,LinkedList除了有List的特性,还有Deque的特性,那么Deque是什么呢?

    public interface Deque extends Queue

    public interface Queue extends Collection

    原来是继承了Collection集合的另一个接口。

    Queue就是我们常说的队列,它的特性是FIFO( First In First Out )先进先出,它的操作只有两个:

    • 把元素存进队列尾部
    • 从头部取出元素

    就像排队办事一样的。

    而它的子接口Deque除了这两操作以外,还能比Queue队列有更多的功能

    • 既可以添加元素到队尾,也可以添加元素到队头
    • 既可以从队尾取元素,也可以从队头取元素

    如此看来就像两边都可以当队头和队尾一样,所以Deque又叫双端队列 。

    理所应当的,LinkedLisk也实现了这些特性,并且有Doubly-linked(双链表的特性)。

    那么什么又是链表呢?

    其实链表是一种线性的存储结构,意思是将要存储的数据存在一个存储单元里面,这个存储单元里面除了存放有待存储的数据以外,还存储有其下一个存储单元的地址。

    双链表顾名思义,存储单元除了存储其下一个存储单元的地址,还存储了上一个存储单元的地址。每次查找数据的时候,就通过存储单元里存储的地址信息进行查找。

    成员变量:

    transient int size = 0;

    transient Node first;

    transient Node last;

    只有三个,size代表LinkedList存储的元素个数。那这个Node是什么?

        private static class Node {
    E item;
    Node next;
    Node prev;

    Node(Node prev, E element, Node next) {
    this.item = element;
    this.next = next;
    this.prev = prev;
    }
    }

    它是LinkedList内部的数据结构Node,作为LinkedList的基本存储单元,也最能体现LinkedList双链表的特性。

    像这样的。

    其中prev存储上一个节点的引用(地址),next存储下一个单元的引用,item就是具体要存的数据。

    First和Last用来标明队头跟队尾。

    添加数据:

    public boolean add(E e) {
    linkLast(e);
    return true;
    }


    void linkLast(E e) {
    final Node l = last;
    final Node newNode = new Node<>(l, e, null);
    last = newNode;
    if (l == null)
    first = newNode;
    else
    l.next = newNode;
    size++;
    modCount++;
    }

    默认是调用添加到尾部的方法。前面说过,LinkedList的基本存储单元是Node,所以添加进来的数据会被封装进Node的item属性里,而且这个新Node的prev会指向前一个Node,前一个Node的next会指向这个新Node。

    类似这样,但是注意画线只是一种形象的表达方法,就如上面所说,在Node里的prev属性和next属性是用来存储引用的,通过这个引用就能找到前一个Node或者后一个Node。

    public void addFirst(E e) {
    linkFirst(e);
    }

    private void linkFirst(E e) {
    final Node f = first;
    final Node newNode = new Node<>(null, e, f);
    first = newNode;
    if (f == null)
    last = newNode;
    else
    f.prev = newNode;
    size++;
    modCount++;
    }

    public void addLast(E e) {
    linkLast(e);
    }

    public boolean offerLast(E e) {
    addLast(e);
    return true;
    }

    实际上,LinkedList有不少不同名称的方法,但其实现方式大多相似。这是因为LinkedList可用于表示多种不同的数据结构,即便都是在队首或队尾添加元素,清晰的方法描述对提升代码可读性也大有益处。例如,当使用LinkedList表示Stack(栈)数据结构时,可使用push()、pop()、peek()等方法来描述操作;而表示Queue(队列)数据结构时,则使用add()、offer()等方法来描述。(当然,采用多态的方式来实现会更好。)

    删除数据:

    //删除头Node
    public E removeFirst() {
    final Node f = first;
    if (f == null)
    throw new NoSuchElementException();
    return unlinkFirst(f);
    }

    //删除操作
    private E unlinkFirst(Node f) {
    // assert f == first && f != null;
    final E element = f.item;
    final Node next = f.next;
    f.item = null;
    f.next = null; // help GC
    first = next;
    if (next == null)
    last = null;
    else
    next.prev = null;
    size--;
    modCount++;
    return element;
    }
    //删除尾Node
    public E removeLast() {
    final Node l = last;
    if (l == null)
    throw new NoSuchElementException();
    return unlinkLast(l);
    }

    //删除操作
    private E unlinkLast(Node l) {
    // assert l == last && l != null;
    //拿到最后一个元素存放的数据
    final E element = l.item;
    //拿到最后一个元素的prev前元素的引用
    final Node prev = l.prev;
    //将它们赋值为null
    l.item = null;
    l.prev = null; // help GC
    //现在前元素是list(最后一个Node)
    last = prev;
    //如果前元素已经是null说明没有Node了
    if (prev == null)
    first = null;
    else
    //说明前面还有元素,那么前元素的next就存放null
    prev.next = null;
    size--;
    modCount++;
    return element;
    }

    先看看简单的删除, 这里是指定删除最前跟最后的元素,所以只要判断删除后Node的prev或者next是否还有值,有就说明还有Node,没有就说明LinkedList已经为空了。

    怎样才算删除了头/尾Node,只要它的next/prev为空,说明没有引用指向它了,那么我们就认为它从LinkedList里删除了,因为我们无法通过存储单元的引用找到这个Node,所以GC很快也会来回收掉这个Node。

    这只是删除头尾Node,那要是删除中间的Node呢?这要跟下面的查找和插入一起看。

    查找元素:

    public E get(int index) {
    checkElementIndex(index);
    return node(index).item;
    }


    Node node(int index) {
    // assert isElementIndex(index);

    //如果索引小于元素个数的一半,就从前遍历
    if (index < (size >> 1)) {
    Node x = first;
    for (int i = 0; i < index; i++)
    x = x.next;
    return x;
    } else {//否则从后遍历
    Node x = last;
    for (int i = size - 1; i > index; i--)
    x = x.prev;
    return x;
    }
    }

    数组默认是有下标的,可以一次就取出所在位置的元素,但是LinkedList底层可没有维护这么一个数组,那怎么知道第几个元素是什么呢?

    笨方法,我有size个元素,我不知道你指定的index在哪,那我一个一个找过去不就完事了?毕竟我的存储单元Node记得它旁边的单元的引用(地址)。

    如果你的index比我size的一半还大,那我就从后面找,因为我是双端队列,有Last的引用(地址),所以可以调换两头。

    所以,在LinkedList里面找元素可不容易,最多可能要找size/2次才能找到。

    只要找到了想要的位置,那么插入和删除指定的这个Node就很简单了。

    public E remove(int index) {
    checkElementIndex(index);
    return unlink(node(index));
    }

    E unlink(Node x) {
    // assert x != null;
    //拿到所要删除的Node的item
    final E element = x.item;
    //后一个Node
    final Node next = x.next;
    //前一个Node
    final Node prev = x.prev;

    //如果前一个Node为null(说明是第一个Node)
    if (prev == null) {
    //那么后一个Node作为first
    first = next;
    } else {//否则说明前面有Node
    //那前一个Node的下一个Node引用变为后一个Node
    prev.next = next;
    //当前的前引用变成null
    x.prev = null;
    }

    //如果后一个Node为null(说明是最后一个Node)
    if (next == null) {
    //那么前一个Node作为last
    last = prev;
    } else {//否则说明后面还有Node
    //那后一个Node的下一个Node引用变为前一个Node
    next.prev = prev;
    //当前的后引用变为null
    x.next = null;
    }

    //保存的元素也设为null
    x.item = null;
    //元素-1
    size--;
    //修改次数+1
    modCount++;
    return element;
    }

    public void add(int index, E element) {
    checkPositionIndex(index);

    if (index == size)
    linkLast(element);
    else
    linkBefore(element, node(index));
    }

    void linkBefore(E e, Node succ) {
    // assert succ != null;
    //要插入位置的前一个Node
    final Node pred = succ.prev;
    //新Node,前引用是前一个Node,后引用是当前位置的Node
    final Node newNode = new Node<>(pred, e, succ);
    //后一个Node的前引用变为这个新Node
    succ.prev = newNode;
    //如果没有前一个Node
    if (pred == null)
    //说明添加的就是第一个Node了
    first = newNode;
    else//说明前面还有Node
    //将前一个Node的后引用变为这个新的Node
    pred.next = newNode;
    //元素+1
    size++;
    modCount++;
    }

    只是改变了存储单元Node里的prev和next,我们就可以认为这个Node被插入/删除了。

    代码的注释配合着下图看,就会方便理解很多,其中注意区分源代码中的命名,最好拿笔记一下容易区分一些。

    如果是插入元素,倒着看就可以了。

    关于遍历:

    我们可以了解到,LinkedList最大的性能消耗就在node(index)这步,这会需要去查找大量的元素。但是只要找到了这个元素所在的Node,插入跟删除就非常的方便了。

    所以对于get(index)这个方法,我们需要非常小心的去使用,如果只想看一看这个位置的元素,可以用这个方法,但是如果是遍历LinkedList,千万不可以这样写:

    for (int i = 0; i < linkedList.size(); i++) {
    linkedList.get(i).equals(Obj);
    }

    这样对于每次循环,get总会从前或者从后走i次,不考虑get方法中>>1的优化的话,这是一种O(n^2)时间复杂度的做法,效率十分低下。

    所以LinkedList提供了内部的Iterator迭代器供我们使用:

    private class ListItr implements ListIterator {
    private Node lastReturned;
    private Node next;
    private int nextIndex;
    private int expectedModCount = modCount;

    ListItr(int index) {
    // assert isPositionIndex(index);
    next = (index == size) ? null : node(index);
    nextIndex = index;
    }

    public boolean hasNext() {
    return nextIndex < size;
    }

    public E next() {
    checkForComodification();
    if (!hasNext())
    throw new NoSuchElementException();

    lastReturned = next;
    next = next.next;
    nextIndex++;
    return lastReturned.item;
    }

    其实就是通过不断调用next()方法取得Node,然后再对Node做操作,这样时间复杂度就是O(n)了,不会有大量重复无用的遍历。

    总结:其实LinkedList的特点插入、删除快,只是针对这次的操作而言的。

    LinkedList做插入、删除的时候,慢在要找到具体的位置,快在只需要改变前后Node的引用地址

    ArrayList做插入、删除的时候,慢在数组元素的批量赋值(前文里的System.arraycopy),快在搜索

    当待插入或删除的元素位于数据结构的前半段,尤其是非常靠前的位置时,LinkedList的效率会远超ArrayList。这是因为ArrayList需要批量复制大量元素。不过,越往后,对于LinkedList而言,由于它是双向链表,在第2个元素后面插入一个数据与在倒数第2个元素后面插入一个元素,效率上几乎没有差别。而ArrayList由于要批量复制的元素越来越少,操作速度必然会逐渐追上甚至超过LinkedList。

    不论怎么说,需要根据具体情况来选择对应的集合,最好做一下性能测试,这样才能有更高的效率。

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