Java集合系列之LinkedList源碼分析

上篇我們分析了ArrayList的底層實(shí)現(xiàn)，知道了ArrayList底層是基于數(shù)組實(shí)現(xiàn)的，因此具有查找修改快而插入刪除慢的特點(diǎn)。本篇介紹的LinkedList是List接口的另一種實(shí)現(xiàn)，它的底層是基于雙向鏈表實(shí)現(xiàn)的，因此它具有插入刪除快而查找修改慢的特點(diǎn)，此外，通過對雙向鏈表的操作還可以實(shí)現(xiàn)隊(duì)列和棧的功能。LinkedList的底層結(jié)構(gòu)如下圖所示。

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F表示頭結(jié)點(diǎn)引用，L表示尾結(jié)點(diǎn)引用，鏈表的每個結(jié)點(diǎn)都有三個元素，分別是前繼結(jié)點(diǎn)引用(P)，結(jié)點(diǎn)元素的值(E)，后繼結(jié)點(diǎn)的引用(N)。結(jié)點(diǎn)由內(nèi)部類Node表示，我們看看它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

//結(jié)點(diǎn)內(nèi)部類
private static class Node<E> {
  E item;     //元素
  Node<E> next;  //下一個節(jié)點(diǎn)
  Node<E> prev;  //上一個節(jié)點(diǎn)

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

Node這個內(nèi)部類其實(shí)很簡單，只有三個成員變量和一個構(gòu)造器，item表示結(jié)點(diǎn)的值，next為下一個結(jié)點(diǎn)的引用，prev為上一個結(jié)點(diǎn)的引用，通過構(gòu)造器傳入這三個值。接下來再看看LinkedList的成員變量和構(gòu)造器。

//集合元素個數(shù)
transient int size = 0;

//頭結(jié)點(diǎn)引用
transient Node<E> first;

//尾節(jié)點(diǎn)引用
transient Node<E> last;

//無參構(gòu)造器
public LinkedList() {}

//傳入外部集合的構(gòu)造器
public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
  this();
  addAll(c);
}

LinkedList持有頭結(jié)點(diǎn)的引用和尾結(jié)點(diǎn)的引用，它有兩個構(gòu)造器，一個是無參構(gòu)造器，一個是傳入外部集合的構(gòu)造器。與ArrayList不同的是LinkedList沒有指定初始大小的構(gòu)造器?？纯此脑鰟h改查方法。

//增(添加)
public boolean add(E e) {
  //在鏈表尾部添加
  linkLast(e);
  return true;
}

//增(插入)
public void add(int index, E element) {
  checkPositionIndex(index);
  if (index == size) {
    //在鏈表尾部添加
    linkLast(element);
  } else {
    //在鏈表中部插入
    linkBefore(element, node(index));
  }
}

//刪(給定下標(biāo))
public E remove(int index) {
  //檢查下標(biāo)是否合法
  checkElementIndex(index);
  return unlink(node(index));
}

//刪(給定元素)
public boolean remove(Object o) {
  if (o == null) {
    for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
      if (x.item == null) {
        unlink(x);
        return true;
      }
    }
  } else {
    //遍歷鏈表
    for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
      if (o.equals(x.item)) {
        //找到了就刪除
        unlink(x);
        return true;
      }
    }
  }
  return false;
}

//改
public E set(int index, E element) {
  //檢查下標(biāo)是否合法
  checkElementIndex(index);
  //獲取指定下標(biāo)的結(jié)點(diǎn)引用
  Node<E> x = node(index);
  //獲取指定下標(biāo)結(jié)點(diǎn)的值
  E oldVal = x.item;
  //將結(jié)點(diǎn)元素設(shè)置為新的值
  x.item = element;
  //返回之前的值
  return oldVal;
}

//查
public E get(int index) {
  //檢查下標(biāo)是否合法
  checkElementIndex(index);
  //返回指定下標(biāo)的結(jié)點(diǎn)的值
  return node(index).item;
}

LinkedList的添加元素的方法主要是調(diào)用linkLast和linkBefore兩個方法，linkLast方法是在鏈表后面鏈接一個元素，linkBefore方法是在鏈表中間插入一個元素。LinkedList的刪除方法通過調(diào)用unlink方法將某個元素從鏈表中移除。下面我們看看鏈表的插入和刪除操作的核心代碼。

//鏈接到指定結(jié)點(diǎn)之前
void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
  //獲取給定結(jié)點(diǎn)的上一個結(jié)點(diǎn)引用
  final Node<E> pred = succ.prev;
  //創(chuàng)建新結(jié)點(diǎn), 新結(jié)點(diǎn)的上一個結(jié)點(diǎn)引用指向給定結(jié)點(diǎn)的上一個結(jié)點(diǎn)
  //新結(jié)點(diǎn)的下一個結(jié)點(diǎn)的引用指向給定的結(jié)點(diǎn)
  final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
  //將給定結(jié)點(diǎn)的上一個結(jié)點(diǎn)引用指向新結(jié)點(diǎn)
  succ.prev = newNode;
  //如果給定結(jié)點(diǎn)的上一個結(jié)點(diǎn)為空, 表明給定結(jié)點(diǎn)為頭結(jié)點(diǎn)
  if (pred == null) {
    //將頭結(jié)點(diǎn)引用指向新結(jié)點(diǎn)
    first = newNode;
  } else {
    //否則, 將給定結(jié)點(diǎn)的上一個結(jié)點(diǎn)的下一個結(jié)點(diǎn)引用指向新結(jié)點(diǎn)
    pred.next = newNode;
  }
  //集合元素個數(shù)加一
  size++;
  //修改次數(shù)加一
  modCount++;
}

//卸載指定結(jié)點(diǎn)
E unlink(Node<E> x) {
  //獲取給定結(jié)點(diǎn)的元素
  final E element = x.item;
  //獲取給定結(jié)點(diǎn)的下一個結(jié)點(diǎn)的引用
  final Node<E> next = x.next;
  //獲取給定結(jié)點(diǎn)的上一個結(jié)點(diǎn)的引用
  final Node<E> prev = x.prev;

  //如果給定結(jié)點(diǎn)的上一個結(jié)點(diǎn)為空, 說明給定結(jié)點(diǎn)為頭結(jié)點(diǎn)
  if (prev == null) {
    //將頭結(jié)點(diǎn)引用指向給定結(jié)點(diǎn)的下一個結(jié)點(diǎn)
    first = next;
  } else {
    //將上一個結(jié)點(diǎn)的后繼結(jié)點(diǎn)引用指向給定結(jié)點(diǎn)的后繼結(jié)點(diǎn)
    prev.next = next;
    //將給定結(jié)點(diǎn)的上一個結(jié)點(diǎn)置空
    x.prev = null;
  }

  //如果給定結(jié)點(diǎn)的下一個結(jié)點(diǎn)為空, 說明給定結(jié)點(diǎn)為尾結(jié)點(diǎn)
  if (next == null) {
    //將尾結(jié)點(diǎn)引用指向給定結(jié)點(diǎn)的上一個結(jié)點(diǎn)
    last = prev;
  } else {
    //將下一個結(jié)點(diǎn)的前繼結(jié)點(diǎn)引用指向給定結(jié)點(diǎn)的前繼結(jié)點(diǎn)
    next.prev = prev;
    x.next = null;
  }

  //將給定結(jié)點(diǎn)的元素置空
  x.item = null;
  //集合元素個數(shù)減一
  size--;
  //修改次數(shù)加一
  modCount++;
  return element;
}

linkBefore和unlink是具有代表性的鏈接結(jié)點(diǎn)和卸載結(jié)點(diǎn)的操作，其他的鏈接和卸載兩端結(jié)點(diǎn)的方法與此類似，所以我們重點(diǎn)介紹linkBefore和unlink方法。

linkBefore方法的過程圖：

Java集合系列之LinkedList源碼分析

unlink方法的過程圖：

Java集合系列之LinkedList源碼分析

通過上面圖示看到對鏈表的插入和刪除操作的時間復(fù)雜度都是O(1)，而對鏈表的查找和修改操作都需要遍歷鏈表進(jìn)行元素的定位，這兩個操作都是調(diào)用的node(int index)方法定位元素，看看它是怎樣通過下標(biāo)來定位元素的。

//根據(jù)指定位置獲取結(jié)點(diǎn)
Node<E> node(int index) {
  //如果下標(biāo)在鏈表前半部分, 就從頭開始查起
  if (index < (size >> 1)) {
    Node<E> x = first;
    for (int i = 0; i < index; i++) {
      x = x.next;
    }
    return x;
  } else {
    //如果下標(biāo)在鏈表后半部分, 就從尾開始查起
    Node<E> x = last;
    for (int i = size - 1; i > index; i--) {
      x = x.prev;
    }
    return x;
  }
}

通過下標(biāo)定位時先判斷是在鏈表的上半部分還是下半部分，如果是在上半部分就從頭開始找起，如果是下半部分就從尾開始找起，因此通過下標(biāo)的查找和修改操作的時間復(fù)雜度是O(n/2)。通過對雙向鏈表的操作還可以實(shí)現(xiàn)單項(xiàng)隊(duì)列，雙向隊(duì)列和棧的功能。

單向隊(duì)列操作：

//獲取頭結(jié)點(diǎn)
public E peek() {
  final Node<E> f = first;
  return (f == null) ? null : f.item;
}

//獲取頭結(jié)點(diǎn)
public E element() {
  return getFirst();
}

//彈出頭結(jié)點(diǎn)
public E poll() {
  final Node<E> f = first;
  return (f == null) ? null : unlinkFirst(f);
}

//移除頭結(jié)點(diǎn)
public E remove() {
  return removeFirst();
}

//在隊(duì)列尾部添加結(jié)點(diǎn)
public boolean offer(E e) {
  return add(e);
}

雙向隊(duì)列操作：

//在頭部添加
public boolean offerFirst(E e) {
  addFirst(e);
  return true;
}

//在尾部添加
public boolean offerLast(E e) {
  addLast(e);
  return true;
}

//獲取頭結(jié)點(diǎn)
public E peekFirst() {
  final Node<E> f = first;
  return (f == null) ? null : f.item;
 }

//獲取尾結(jié)點(diǎn)
public E peekLast() {
  final Node<E> l = last;
  return (l == null) ? null : l.item;
}

棧操作：

//入棧
public void push(E e) {
  addFirst(e);
}

//出棧
public E pop() {
  return removeFirst();
}

不管是單向隊(duì)列還是雙向隊(duì)列還是棧，其實(shí)都是對鏈表的頭結(jié)點(diǎn)和尾結(jié)點(diǎn)進(jìn)行操作，它們的實(shí)現(xiàn)都是基于addFirst()，addLast()，removeFirst()，removeLast()這四個方法，它們的操作和linkBefore()和unlink()類似，只不過一個是對鏈表兩端操作，一個是對鏈表中間操作?？梢哉f這四個方法都是linkBefore()和unlink()方法的特殊情況，因此不難理解它們的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，在此不多做介紹。到這里，我們對LinkedList的分析也即將結(jié)束，對全文中的重點(diǎn)做個總結(jié)：
1. LinkedList是基于雙向鏈表實(shí)現(xiàn)的，不論是增刪改查方法還是隊(duì)列和棧的實(shí)現(xiàn)，都可通過操作結(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)
2. LinkedList無需提前指定容量，因?yàn)榛阪湵聿僮?，集合的容量隨著元素的加入自動增加
3. LinkedList刪除元素后集合占用的內(nèi)存自動縮小，無需像ArrayList一樣調(diào)用trimToSize()方法
4. LinkedList的所有方法沒有進(jìn)行同步，因此它也不是線程安全的，應(yīng)該避免在多線程環(huán)境下使用
5. 以上分析基于JDK1.7，其他版本會有些出入，因此不能一概而論。

以上就是本文的全部內(nèi)容，希望對大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持創(chuàng)新互聯(lián)。

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