Java集合 LinkedList的原理及使用

時間 2019-12-12

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LinkedList和ArrayList同樣是集合List的實現類，雖然較之ArrayList，其使用場景並很少，但一樣有用到的時候，那麼接下來，咱們來認識一下它。html

一. 定義一個LinkedList

public static void main(String[] args) {
    List<String> stringList = new LinkedList<>();
    List<String> tempList = new ArrayList<>();
    tempList.add("牛魔王");
    tempList.add("蛟魔王");
    tempList.add("鵬魔王");
    tempList.add("獅駝王");
    tempList.add("獼猴王");
    tempList.add("禺賊王");
    tempList.add("美猴王");
    List<String> stringList2 = new LinkedList<>(tempList);
}

上面代碼中採用了兩種方式來定義LinkedList，能夠定義一個空集合，也能夠傳遞已有的集合，將其轉化爲LinkedList。咱們看一下源碼java

public class LinkedList<E> extends AbstractSequentialList<E> implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable{
    transient int size = 0;

    /**
     * Pointer to first node.
     * Invariant: (first == null && last == null) ||
     *            (first.prev == null && first.item != null)
     */
    transient Node<E> first;

    /**
     * Pointer to last node.
     * Invariant: (first == null && last == null) ||
     *            (last.next == null && last.item != null)
     */
    transient Node<E> last;

    /**
     * Constructs an empty list.
     */
    public LinkedList() {
    }

    /**
     * Constructs a list containing the elements of the specified
     * collection, in the order they are returned by the collection's
     * iterator.
     *
     * @param  c the collection whose elements are to be placed into this list
     * @throws NullPointerException if the specified collection is null
     */
    public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
        this();
        addAll(c);
    }
}

LinkedList繼承了AbstractSequentialList類，實現了List接口，AbstractSequentialList中已經實現了不少方法，如get(int index)、set(int index, E element)、add(int index, E element) 和 remove(int index)，這些方法是咱們集合操做時使用最多的，不過這些方法在LinkedList中都已經被重寫了，而抽象方法在LinkedList中有了具體實現。所以咱們回到LinkedList類node

LinkedList類中定義了三個變量數組

size：集合的長度工具

first：雙向鏈表頭部節點性能

last：雙向鏈表尾部節點this

針對first變量和last變量，咱們看到是Node類的實體，這是一個靜態內部類，關於靜態內部類的講解，咱們在static五大應用場景一章已經有說明code

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;
    }
}

咱們知道LinkedList是經過雙向鏈表實現的，而雙向鏈表就是經過Node類來體現的，類中經過item變量保存了當前節點的值，經過next變量指向下一個節點，經過prev變量指向上一個節點。orm

二. LinkedList經常使用方法

1. get(int index)

咱們知道隨機讀取元素不是LinkedList所擅長的，讀取效率比起ArrayList也低得多，那麼我來看一下爲何htm

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

/**
 * 返回一個指定索引的非空節點.
 */
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;
    }
}

從上述代碼中咱們能夠看到get(int index)方法是經過node(int index)來實現的，它的實現機制是：

比較傳入的索引參數index與集合長度size/2，若是是index小，那麼從第一個順序循環，直到找到爲止；若是index大，那麼從最後一個倒序循環，直到找到爲止。也就是說越靠近中間的元素，調用get(int index方法遍歷的次數越多，效率也就越低，並且隨着集合的愈來愈大，get(int index)執行性能也會指數級下降。所以在使用LinkedList的時候，咱們不建議使用這種方式讀取數據，能夠使用getFirst()，getLast()方法，將直接用到類中的first和last變量。

2. add(E e) 和 add(int index, E element)

你們都在說LinkedList插入、刪除操做效率比較高，以stringList.add(「豬八戒」)爲例來看到底發生了什麼？

在LinkedList中咱們找到add(E e)方法的源碼

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

/**
 * 設置元素e爲最後一個元素
*/
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++;
}

很好理解：

狀況1：假如stringList爲空，那麼添加進來的node就是first，也是last，這個node的prev和next都爲null;

狀況2：假如stringList不爲空，那麼添加進來的node就是last，node的prev指向之前的最後一個元素，node的next爲null；同時之前的最後一個元素的next.

而若是經過stringList.add(1, 「豬八戒」)這種方式將元素添加到集合中呢？

//在指定位置添加一個元素
public void add(int index, E element) {
    checkPositionIndex(index);
    if (index == size)
        linkLast(element);
    else
        linkBefore(element, node(index));
}

/**
 * 在一個非空節點前插入一個元素
 */
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++;
}

其實從代碼中看到和add(E e)的代碼實現沒有本質區別，都是經過新建一個Node實體，同時指定其prev和next來實現，不一樣點在於須要調用node(int index)經過傳入的index來定位到要插入的位置，這個也是比較耗時的，參考上面的get(int index)方法。

其實看到這裏，你們也都明白了。

LinkedList插入效率高是相對的，由於它省去了ArrayList插入數據可能的數組擴容和數據元素移動時所形成的開銷，但數據擴容和數據元素移動卻並非時時刻刻都在發生的。

3. remove(Object o) 和 remove(int index)

這裏removeFirst()和removeLast()就很少說了，會用到類中定義的first和last變量，很是簡單，咱們看一下remove(Object o) 和 remove(int index)源碼

//刪除某個對象
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 {
        for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
            if (o.equals(x.item)) {
                unlink(x);
                return true;
            }
        }
    }
    return false;
}
//刪除某個位置的元素
public E remove(int index) {
    checkElementIndex(index);
    return unlink(node(index));
}
//刪除某節點，並將該節點的上一個節點（若是有）和下一個節點（若是有）關聯起來
E unlink(Node<E> x) {
    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;
}

其實實現都很是簡單，先找到要刪除的節點，remove(Object o)方法遍歷整個集合，經過 == 或 equals方法進行判斷；remove(int index)經過node(index)方法。

4. LinkedList遍歷

咱們主要列舉一下三種經常使用的遍歷方式，

普通for循環，加強for循環，Iterator迭代器

public static void main(String[] args) {
    LinkedList<Integer> list = getLinkedList();
    //經過快速隨機訪問遍歷LinkedList
    listByNormalFor(list);
    //經過加強for循環遍歷LinkedList
    listByStrengThenFor(list);
    //經過快迭代器遍歷LinkedList
    listByIterator(list);
}

/**
 * 構建一個LinkedList集合,包含元素50000個
 * @return
 */
private static LinkedList<Integer> getLinkedList() {
    LinkedList list = new LinkedList();
    for (int i = 0; i < 50000; i++){
        list.add(i);
    }
    return list;
}

/**
 * 經過快速隨機訪問遍歷LinkedList
 */
private static void listByNormalFor(LinkedList<Integer> list) {
    // 記錄開始時間
    long start = System.currentTimeMillis();
    int size = list.size();
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        list.get(i);
    }
    // 記錄用時
    long interval = System.currentTimeMillis() - start;
    System.out.println("listByNormalFor：" + interval + " ms");
}

/**
 * 經過加強for循環遍歷LinkedList
 * @param list
 */
public static void listByStrengThenFor(LinkedList<Integer> list){
    // 記錄開始時間
    long start = System.currentTimeMillis();
    for (Integer i : list) { }
    // 記錄用時
    long interval = System.currentTimeMillis() - start;
    System.out.println("listByStrengThenFor：" + interval + " ms");
}

/**
 * 經過快迭代器遍歷LinkedList
 */
private static void listByIterator(LinkedList<Integer> list) {
    // 記錄開始時間
    long start = System.currentTimeMillis();
    for(Iterator iter = list.iterator(); iter.hasNext();) {
        iter.next();
    }
    // 記錄用時
    long interval = System.currentTimeMillis() - start;
    System.out.println("listByIterator：" + interval + " ms");
}

執行結果以下：

listByNormalFor：1067 ms
listByStrengThenFor：3 ms
listByIterator：2 ms

經過普通for循環隨機訪問的方式執行時間遠遠大於迭代器訪問方式，這個咱們能夠理解，在前面的get(int index)方法中已經有過說明，那麼爲何加強for循環能作到迭代器遍歷差很少的效率？

經過反編譯工具後獲得以下代碼

public static void listByStrengThenFor(LinkedList<Integer> list)
  {
    long start = System.currentTimeMillis();
    Integer localInteger;
    for (Iterator localIterator = list.iterator(); localIterator.hasNext(); 
         localInteger = (Integer)localIterator.next()) {}
    long interval = System.currentTimeMillis() - start;
    System.out.println("listByStrengThenFor：" + interval + " ms");
}

很明顯了，加強for循環遍歷時也調用了迭代器Iterator，不過多了一個賦值的過程。

還有相似於pollFirst()，pollLast()取值後刪除的方法也能達到部分的遍歷效果。

三. 總結

本文基於java8從定義一個LinkList入手，逐步展開，從源碼角度分析LinkedList雙向鏈表的結構是如何構建的，同時針對其經常使用方法進行分析，包括get，add，remove以及經常使用的遍歷方法，並簡單的說明了它的插入、刪除操做爲什麼相對高效，而取值操做性能相對較低，如有不對之處，請批評指正，望共同進步，謝謝！