Java集合(二二): LinkedList源码剖析

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1、LinkedList简介

LinkedList是List接口的另一种实现,它的底层是基于双向链表实现的,因此它具有插入删除快而查找修改慢的特点。此外,通过对双向链表的操作还可以实现队列和栈的功能。

LinkedList 是线程不安全的,需要同步的应用(ConcurrentLinkedDeque高效的队列)。允许元素为null的双向链表。可以作为一个双端队列。和ArrayList比,没有实现RandomAccess所以其以下标,随机访问元素速度较慢。

因其底层数据结构是链表,所以可想而知,它的增删只需要移动指针即可,故时间效率较高。不需要批量扩容,也不需要预留空间,所以空间效率比ArrayList高。

缺点就是需要随机访问元素时,时间效率很低,虽然底层在根据下标查询Node的时候,会根据index判断目标Node在前半段还是后半段,然后决定是顺序还是逆序查询,以提升时间效率。不过随着n的增大,总体时间效率依然很低。        

2、LinkedList数据结构

其中的节点Node主要由三部分组成;pre:前驱引用,ele1:节点信息,next:后驱引用。还有两个引用,分别指向头结点的first和指向尾结点的last。

3、ArrayList源码分析

3.1 ArrayList继承结构和层次关系

public class LinkedList<E>
    extends AbstractSequentialList<E>
    implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable{
}

结构图更直观些:  

分析:

  • LinkedList 是一个继承于AbstractSequentialList的双向链表。
  • LinkedList 可以被当作堆栈、队列或双端队列进行操作。
  • LinkedList 实现 List 接口,所以能对它进行队列操作。
  • LinkedList 实现 Deque 接口,能将LinkedList当作双端队列使用。
  • LinkedList 实现了Cloneable接口,即覆盖了函数clone(),能克隆。
  • LinkedList 实现java.io.Serializable接口,所以LinkedList支持序列化,能通过序列化去传输。
  • LinkedList 是非同步的。

3.2、类中属性

public class LinkedList<E>
    extends AbstractSequentialList<E>
    implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable
{
    //元素个数
    transient int size = 0;
    //指向第一个节点
    transient Node<E> first;
    //指向最后一个节点
    transient Node<E> last;

    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;
        }
    }
}

LinedList的字段比较少,多添加了两个引用first和last用来指向头尾节点,和一个size用来存储节点的个数,这样当计算元素个数的时候,只需要O(1)的时间复杂度。

3.3、构造方法

1)、无参构造

// 默认构造函数
public LinkedList() {
    }

2)、带集合参数的构造

// 创建一个LinkedList,保护Collection中的全部元素。
public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
        this();
        addAll(c);
    }

3.4、核心方法

add()方法(有六个) 

  • boolean add(E e):在链表后添加一个元素,如果成功,返回true,否则返回false;
  • void add(int index, E element):在指定位置插入一个元素。
  • void addFirst(E e):在链表头部插入一个元素;
  • addLast(E e):在链表尾部添加一个元素;
  • boolean addAll(Collection<? extends E> c):将集合元素插入链表中;
  • boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c)

3.4.1、add(E e)

注意切记

第一:记录下待插入节点的前置节点;

第二:新建节点的前置 分为 空 和 非空 两种情况。

新增时包含元素为空和不为空两种情况

  1. 记录末尾节点
  2. 新建末尾节点
  3. 更新末尾节点
public boolean add(E e) {
        linkLast(e);
        return true;
    }
 void linkLast(E e) {
        final Node<E> l = last;
        final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
        last = newNode;
        if (l == null)
            first = newNode;
        else
            l.next = newNode;
        size++;
        modCount++;
    }

一开始,first和last都为null,此时链表什么都没有,当第一次调用该方法后,first和last均指向了第一个新加的节点E1:

接着,第二次调用该方法,加入新节点E2。首先,将last引用赋值给l,接着new了一个新节点E2,并且E2的prve指向l,接着将新节点E2赋值为last。现在结构如下:

接着判断l==null? 所以走的else语句,将l的next引用指向新节点E2,现在数据结构如下:

接着size+1,modCount+1,退出该方法,局部变量l销毁,所以现在数据结构如下:

3.4.2、add(int index, E element) :在指定位置插入新元素

  • index位置检查(不能小于0,大于size)
  • 如果index==size,直接在链表最后插入,相当于调用add(E e)方法
  • 小于size,首先调用node方法将index位置的节点找出,接着调用linkBefore
public void add(int index, E element) {
        checkPositionIndex(index);

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

 private void checkPositionIndex(int index) {
        if (!isPositionIndex(index))
            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
  }

   Node<E> node(int index) {
        // assert isElementIndex(index);

        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;
        }
    }

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++;
}

这样就完成了链表新节点的构建。

小结:

  • 链表批量增加,是靠for循环遍历原数组,依次执行插入节点操作。对比ArrayList是通过System.arraycopy完成批量增加的
  • 通过下标获取某个node 的时候,(add select),会根据index处于前半段还是后半段 进行一个折半,以提升查询效率

我们同样作图分析,假设现在链表中有三个节点,调用node方法后找到的第二个节点E2,则进入方法后,结构如下:

接着,将succ的prev赋值给pred,并且构造新节点E4,E4的prev和next分别为pred和suc,同时将新节点E4赋值为succ的prev引用,则现在结构如下: 

接着,将新节点赋值给pred节点的next引用,结构如下:

最后,size+1,modCount+1,推出方法,本地变量succ,pred销毁,最后结构如

这样新节点E4就插入在了第二个E2节点前面。新链表构建完成。从这个过程中我们可以知道,这里并没有大量移动移动以前的元素,所以效率非常高!

3.4.3、addAll()

  • 待插入的集合为空的话,直接返回
  • 记录前置节点:分前插和后插两种方式找前置
  • 循环插入
  • 分前插和后插两种方式完成后值
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
        return addAll(size, c);
}

public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
        checkPositionIndex(index);

        Object[] a = c.toArray();
        int numNew = a.length;
        if (numNew == 0)
            return false;

        Node<E> pred, succ;
        if (index == size) {
            succ = null;
            pred = last;
        } else {
            succ = node(index);
            pred = succ.prev;
        }

        for (Object o : a) {
            @SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) o;
            Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, null);
            if (pred == null)
                first = newNode;
            else
                pred.next = newNode;
            pred = newNode;
        }

        if (succ == null) {
            last = pred;
        } else {
            pred.next = succ;
            succ.prev = pred;
        }

        size += numNew;
        modCount++;
        return true;
 }

3.4.4、E remove(int index)移除指定节点

public E remove(int index) {
        checkElementIndex(index);
        return unlink(node(index));
    }
  1. 检查index位置
  2. 调用node方法获取节点,接着调用unlink(E e)
E unlink(Node<E> x) {
    // assert x != null;
    final E element = x.item;
    final Node<E> next = x.next;
    final Node<E> prev = x.prev;

    if (prev == null) {
        first = next;
    } else {
        prev.next = next;
        x.prev = null;
    }

    if (next == null) {
        last = prev;
    } else {
        next.prev = prev;
        x.next = null;
    }

    x.item = null;
    size--;
    modCount++;
    return element;
}

原理就是将当前节点X的前一个节点Pre的next直接指向X的下一个节点Next,这样X就不再关联任何引用,等待垃圾回收即可。这里我们同样知道,相比于ArrayList的copy数组覆盖原来节点,效率同样更高!

3.4.5、boolean remove(Object o) 删除链表中的指定节点

//因为要考虑 null元素,也是分情况遍历
    public boolean remove(Object o) {
        if (o == null) {//如果要删除的是null节点(从remove和add 里 可以看出,允许元素为null)
            //遍历每个节点 对比
            for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
                if (x.item == null) {
                    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;
    }

3.4.6、E set( index, E)

​​​​​​​public E set(int index, E element) {
    checkElementIndex(index);
    Node<E> x = node(index);
    E oldVal = x.item;
    x.item = element;
    return oldVal;
}

3.4.7、 int indexOf(Object o) 根据节点对象,查询下标

 

public int indexOf(Object o) {
        int index = 0;
        if (o == null) {//如果目标对象是null
        //遍历链表
            for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
                if (x.item == null)
                    return index;
                index++;
            }
        } else {遍历链表
            for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
                if (o.equals(x.item))
                    return index;
                index++;
            }
        }
        return -1;
    }

3.4.8、 int lastIndexOf(Object o) 从尾至头遍历链表,找到目标元素值为o的节点

    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;
    }

3.4.9、E get( index)

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

3.4.10、toArray()

    public Object[] toArray() {
        //new 一个新数组 然后遍历链表,将每个元素存在数组里,返回
        Object[] result = new Object[size];
        int i = 0;
        for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next)
            result[i++] = x.item;
        return result;

4、总结

  • LinkedList是基于双向链表实现的,不论是增删改查方法还是队列和栈的实现,都可通过操作结点实现;
  • LinkedList无需提前指定容量,因为基于链表操作,集合的容量随着元素的加入自动增加;
  • LinkedList删除元素后集合占用的内存自动缩小,无需像ArrayList一样调用trimToSize()方法;
  • LinkedList的所有方法没有进行同步,因此它也不是线程安全的,应该避免在多线程环境下使用
  • CRUD操作里,都涉及到根据index去找到Node的操作

参考:LinkedList源码解析_tangyuan_sibal的博客-CSDN博客

面试必备:LinkedList源码解析(JDK8)_zxt0601的博客-CSDN博客

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