JAVA容器-自問自答學LinkedList
前言
在前一篇文章我以面試問答的形式與你們一同窗習了ArrayList，有興趣可是沒閱讀過的同窗能夠翻看個人文章記錄，有了ArrayList，天然少不了LinkedList了。java
PS：因爲個人居住地珠海前兩天遭受了颱風天鴿的影響，過了2天沒水沒電沒網沒信號的原始生活，因此此文久久未能完成併發布，請你們體諒。node
下面我就以面試問答的形式學習咱們的經常使用的裝載容器——LinkedList（源碼分析基於JDK8）面試
本文同步發佈於簡書：www.jianshu.com/p/6c66f8ea5…安全
問答內容
1.
問：請簡單介紹一下您所瞭解的LinkedList，它能夠用來作什麼，怎麼使用？bash
答：網絡
- LinkedList底層是雙向鏈表，同時實現了List接口和Deque接口，因此它既能夠看做是一個順序容器，也能夠看做是一個隊列(Queue)，同時也能夠看做是一個棧(Stack)，但若是想使用棧或隊列等數據結構的話，推薦使用ArrayDeque，它做爲棧或隊列會比LinkedList有更好的使用性能。
示例代碼：數據結構
// 建立一個LinkedList，鏈表的每一個節點的內存空間都是實時分配的，因此無須事先指定容器大小
LinkedList<String> linkedList = new LinkedList<String>();
// 往容器裏面添加元素
linkedList.add("張三");
linkedList.add("李四");
// 在張三與李四之間插入一個王五
linkedList.add(1, "王五");
// 在頭部插入一個小三
linkedList.addFirst("小三");
// 獲取index下標爲2的元素 王五
String element = linkedList.get(2);
// 修改index下標爲2的元素 王五 爲小四
linkedList.set(2, "小四");
// 刪除index下標爲1的元素 張三
String removeElement = linkedList.remove(1);
// 刪除第一個元素
String removeFirstElement = linkedList.removeFirst();
// 刪除最後一個元素
String removeLastElement = linkedList.removeLast();複製代碼
- LinkedList底層實現是雙向鏈表，核心組成元素有：
int size = 0用於記錄鏈表長度；Node<E> first;用於記錄頭（第一個）結點（儲存的是頭結點的引用）；Node<E> last;用於記錄尾（最後一個）結點（儲存的是尾結點的引用）。
示例代碼：併發
public class LinkedList<E>
extends AbstractSequentialList<E>
implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable
{
// 記錄鏈表長度
transient int size = 0;
/**
* Pointer to first node. 指向第一個結點
* Invariant: (first == null && last == null) ||
* (first.prev == null && first.item != null)
*/
transient Node<E> first;
/**
* Pointer to last node. 指向最後一個結點
* Invariant: (first == null && last == null) ||
* (last.next == null && last.item != null)
*/
transient Node<E> last;
}複製代碼
- 雙向鏈表的核心組成元素還有一個最重要的
Node<E>，Node<E>包含：E item;用於存儲元素數據，Node<E> next;指向當前元素的後繼結點，Node<E> prev;指向當前元素的前驅結點。
示例代碼：dom
/**
* 定義LinkedList底層的結點實現
*/
private static class Node<E> {
E item; // 存儲元素數據
Node<E> next;// 指向當前元素的後繼結點
Node<E> prev;// 指向當前元素的前驅結點
/**
* Node結點構造方法
*/
Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
this.item = element;// 存儲的元素
this.next = next;// 後繼結點
this.prev = prev;// 前驅結點
}
}複製代碼
上圖中的head即Node
2.
問：請分別分析一下它是如何獲取元素，修改元素，新增元素與刪除元素，並分析這些操做對應的時間複雜度。
答：
- 獲取元素：LinkedList提供了三種獲取元素的方法，分別是：
獲取第一個元素
getFirst()，獲取第一個元素，直接返回Node<E> first指向的結點便可，因此時間複雜度爲O(1)。獲取最後一個元素
getLast()，獲取最後一個元素，直接返回Node<E> last指向的結點便可，因此時間複雜度也爲O(1)。獲取指定索引index位置的元素
get(int index)，因爲Node<E>結點在內存中存儲的空間不是連續存儲的，因此查找某一位置的結點，只能經過遍歷鏈表的方式查找結點，所以LinkedList會先經過判斷index < (size >> 1)，size>>1即爲size/2當前鏈表長度的一半，判斷index的位置是在鏈表的前半部分仍是後半部分。決定是從頭部遍歷查找數據仍是從尾部遍歷查找數據。最壞狀況下，獲取中間元素，則須要遍歷n/2次才能獲取到對應元素，因此此方法的時間複雜度爲O(n)。
- 綜上所述，LinkedList獲取元素的時間複雜度爲O(n)。
示例代碼：
/**
* 返回列表中指定位置的元素
*
* @param index 指定index位置
* @return 返回指定位置的元素
* @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
*/
public E get(int index) {
// 檢查index下標是否合法[0,size)
checkElementIndex(index);
// 遍歷列表獲取對應index位置的元素
return node(index).item;
}
/**
* 檢查下標是否合法
*/
private void checkElementIndex(int index) {
if (!isElementIndex(index))
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
private boolean isElementIndex(int index) {
return index >= 0 && index < size;
}
/**
* 返回指定位置的結點元素（重點）
*/
Node<E> node(int index) {
// assert isElementIndex(index);
// 判斷index位置是在鏈表的前半部分仍是後半部分
if (index < (size >> 1)) {
// 從頭結點開始，從前日後遍歷找到對應位置的結點元素
Node<E> x = first;
for (int i = 0; i < index; i++)
x = x.next;
return x;
} else {
// 從尾結點開始，從後往前遍歷找到對應位置的結點元素
Node<E> x = last;
for (int i = size - 1; i > index; i--)
x = x.prev;
return x;
}
}複製代碼
- 修改元素：LinkedList提供了一種修改元素數據的方法
set(int index, E element)，修改元素數據的步驟是：1.檢查index索引是否合法[0,size)。2.折半查詢獲取對應索引元素。3.將新元素賦值，返回舊元素。由獲取元素的分析可知，折半查詢的時間複雜度爲O(n)，故修改元素數據的時間複雜度爲O(n)。
示例代碼：
/**
* 修改指定位置結點的存儲數據
*
* @param index 指定位置
* @param element 修改的存儲數據
* @return 返回未修改前的存儲數據
* @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
*/
public E set(int index, E element) {
// 檢查index下標是否合法[0,size)
checkElementIndex(index);
// 折半查詢獲取對應索引元素
Node<E> x = node(index);
// 將新元素賦值，返回舊元素
E oldVal = x.item;
x.item = element;
return oldVal;
}複製代碼
- 新增元素：LinkedList提供了四種新增元素的方法，分別是：
將指定元素插入到鏈表的第一個位置中
addFirst(E e)，只需將頭結點first指向新元素結點，將原第一結點的前驅指針指向新元素結點便可。不須要移動原數據存儲位置，只需交換一下相關結點的指針域信息便可。因此時間複雜度爲O(1)。將指定元素插入到鏈表的最後一個位置中
addLast(E e)，只需將尾結點last指向新元素結點，將原最後一個結點的後繼指針指向新元素結點便可。不須要移動原數據存儲位置，只需交換一下相關結點的指針域信息便可。因此時間複雜度也爲O(1)。添加元素方法
add(E e)等價於addLast(E e)。將指定元素插入到鏈表的指定位置index中
add(int index, E element)，須要先根據位置index調用node(index)遍歷鏈表獲取該位置的原結點，而後將新結點插入至原該位置結點的前面，不須要移動原數據存儲位置，只需交換一下相關結點的指針域信息便可。因此時間複雜度也爲O(1)。
- 綜上所述，LinkedList新增元素的時間複雜度爲O(1)，單純論插入新元素，操做是很是高效的，特別是插入至頭部或插入到尾部。但若是是經過索引index的方式插入，插入的位置越靠近鏈表中間所費時間越長，由於須要對鏈表進行遍歷查找。
示例代碼：
/**
* 將指定元素插入到鏈表的第一個位置中
*
* @param e 要插入的元素
*/
public void addFirst(E e) {
linkFirst(e);
}
/**
* 將元素e做爲第一個元素
*/
private void linkFirst(E e) {
// 獲取原頭結點
final Node<E> f = first;
// 初始化新元素結點
final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
// 頭指針指向新元素結點
first = newNode;
// 若是是第一個元素（鏈表爲空）
if (f == null)
// 將尾指針也指向新元素結點
last = newNode;
else // 鏈表不會空
// 原頭結點的前驅指針指向新結點
f.prev = newNode;
// 記錄鏈表長度的size + 1
size++;
modCount++;
}
/**
* 將指定元素插入到鏈表的最後一個位置中
*
* <p>此方法等同與add(E e)方法 {@link #add}.
*
* @param e 要插入的元素
*/
public void addLast(E e) {
linkLast(e);
}
/**
* 將指定元素插入到鏈表的最後一個位置中
*
* <p>此方法等同與addLast(E e)方法 {@link #addLast}.
*
* @param e 要插入的元素
* @return {@code true} (as specified by {@link Collection#add})
*/
public boolean add(E e) {
linkLast(e);
return true;
}
/**
* 將元素e做爲最後一個元素
*/
void linkLast(E e) {
// 獲取原尾結點
final Node<E> l = last;
// 初始化新元素結點
final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
// 位指針指向新元素結點
last = newNode;
// 若是是第一個元素（鏈表爲空）
if (l == null)
// 將頭指針也指向新元素結點
first = newNode;
else // 鏈表不會空
// 原尾結點的後繼指針指向新結點
l.next = newNode;
// 記錄鏈表長度的size + 1
size++;
modCount++;
}
/**
* 將指定元素插入到鏈表的指定位置index中
*
* @param index 元素要插入的位置index
* @param element 要插入的元素
* @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
*/
public void add(int index, E element) {
// 檢查插入位置是否合法[0,size]
checkPositionIndex(index);
// 若是插入的位置和當前鏈表長度相等，則直接將元素插入至鏈表的尾部
if (index == size)
// 將元素插入至鏈表的尾部
linkLast(element);
else
//將元素插入至指定位置,node(index)先獲取佔有該index位置的原結點
linkBefore(element, node(index));
}
/**
* 檢查位置是否合法
*/
private void checkPositionIndex(int index) {
if (!isPositionIndex(index))
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
/**
* 檢查位置是否合法
*/
private boolean isPositionIndex(int index) {
//合法位置爲[0,size]
return index >= 0 && index <= size;
}
/**
* 將新元素e插入至舊元素succ前面
*/
void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
// assert succ != null;
// 記錄舊元素結點succ的前驅指針
final Node<E> pred = succ.prev;
// 初始化新元素結點
final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
// 舊元素結點的前驅指針指向新元素結點(即新元素結點放至在舊元素結點的前面，取代了本來舊元素的位置)
succ.prev = newNode;
// 若是舊元素結點的前驅指針爲空，則證實舊元素結點是頭結點，
// 將新元素結點插入至舊元素結點前面，因此現時新的頭結點是新元素結點
if (pred == null)
first = newNode;
else //不是插入至頭部
// 舊元素的前驅結點的後繼指針指向新元素結點
pred.next = newNode;
// 記錄鏈表長度的size + 1
size++;
modCount++;
}複製代碼
- 刪除元素：LinkedList提供了四種刪除元素的方法，分別是：
刪除鏈表中的第一個元素
removeFirst()，只需將頭結點first指向刪除元素結點的後繼結點並將其前驅結點指針信息prev清空便可。不須要移動原數據存儲位置，只需操做相關結點的指針域信息便可。因此時間複雜度爲O(1)。刪除鏈表中的最後一個元素
removeLast()，只需將尾結點last指向刪除元素結點的前驅結點並將其後繼結點指針信息next清空便可。不須要移動原數據存儲位置，只需操做相關結點的指針域信息便可，因此時間複雜度也爲O(1)。將指定位置index的元素刪除
remove(int index)，須要先根據位置index調用node(index)遍歷鏈表獲取該位置的原結點，而後將刪除元素結點的前驅結點的next後繼結點指針域指向刪除元素結點的後繼結點node.prev.next = node.next，刪除元素結點的後繼結點的prev前驅結點指針域指向刪除元素結點的前驅結點便可node.next.prev = node.prev（此處可能有些繞，不太理解的同窗自行學習一下雙向鏈表的數據結構吧），不須要移動原數據存儲位置，只需交換一下相關結點的指針域信息便可。因此時間複雜度也爲O(1)。
- 刪除傳入的Object o指定對象，比較對象是否一致經過o.equals方法比較
remove(Object o)，和3.的思路基本差很少，關鍵是比較對象是經過o.equals方法，記住這點便可。
- 綜上所述，LinkedList刪除元素的時間複雜度爲O(1)，單純論刪除元素，操做是很是高效的，特別是刪除第一個結點或刪除最後一個結點。但若是是經過索引index的方式或者object對象的方式刪除，則須要對鏈表進行遍歷查找對應index索引的對象或者利用equals方法判斷對象。
示例代碼：
/**
* 刪除鏈表中的第一個元素並返回
*
* @return 鏈表中的第一個元素
* @throws NoSuchElementException if this list is empty
*/
public E removeFirst() {
//根據頭結點獲取第一個元素結點
final Node<E> f = first;
if (f == null) // 沒有元素結點則拋出異常
throw new NoSuchElementException();
return unlinkFirst(f);
}
/**
* 移除第一個元素
*/
private E unlinkFirst(Node<E> f) {
// assert f == first && f != null;
// 記錄要移除元素結點的數據域
final E element = f.item;
// 記錄要移除元素結點的後繼結點指針
final Node<E> next = f.next;
// 清空要刪除結點的數據域和next指針域信息，以幫助垃圾回收
f.item = null;
f.next = null; // help GC
// 頭結點指向要移除元素結點的後繼結點
first = next;
// 若是要移除元素結點的後繼結點爲空，則證實鏈表只有一個元素
// 因此須要將尾結點的指針信息也要清空
if (next == null)
last = null;
else
// 將新的第一個結點的前驅結點指針信息清空
next.prev = null;
// 記錄鏈表長度的size - 1
size--;
modCount++;
// 返回移除元素結點的數據域
return element;
}
/**
* 刪除鏈表中的最後一個元素並返回
*
* @return 鏈表中的最後一個元素
* @throws NoSuchElementException if this list is empty
*/
public E removeLast() {
// 根據尾結點獲取最後一個元素結點
final Node<E> l = last;
if (l == null)// 沒有元素結點則拋出異常
throw new NoSuchElementException();
return unlinkLast(l);
}
/**
* 移除最後一個元素
*/
private E unlinkLast(Node<E> l) {
// assert l == last && l != null;
// 記錄要移除元素結點的數據域
final E element = l.item;
// 記錄要移除元素結點的前驅結點指針
final Node<E> prev = l.prev;
// 清空要刪除結點的數據域和prev指針域信息，以幫助垃圾回收
l.item = null;
l.prev = null; // help GC
// 頭結點指向要移除元素結點的前驅結點
last = prev;
// 若是要移除元素結點的前驅結點爲空，則證實鏈表只有一個元素
// 因此須要將頭結點的指針信息也要清空
if (prev == null)
first = null;
else
// 將新的最後一個結點的後繼結點指針信息清空
prev.next = null;
// 記錄鏈表長度的size - 1
size--;
modCount++;
// 返回移除元素結點的數據域
return element;
}
/**
* 將指定位置index的元素刪除
*
* @param index 要刪除的位置index
* @return 要刪除位置的原元素
* @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
*/
public E remove(int index) {
// 檢查index下標是否合法[0,size)
checkElementIndex(index);
// 根據index進行遍歷鏈表獲取要刪除的結點，再調用unlink方法進行刪除
return unlink(node(index));
}
/**
* 刪除傳入的Object o指定對象，比較對象是否一致經過o.equals方法比較
* @param o 要刪除的Object o指定對象
* @return {@code true} 是否存在要刪除對象o
*/
public boolean remove(Object o) {
// 若是刪除對象爲null，則遍歷鏈表查找node.item數據域爲null的結點並移除
if (o == null) {
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
if (x.item == null) {
unlink(x);
return true;
}
}
} else {
// 從頭開始遍歷鏈表，並經過equals方法逐一比較node.item是否相等
// 相等則對象一致，刪除此對象。
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
if (o.equals(x.item)) {
unlink(x);
return true;
}
}
}
return false;
}
/**
* 移除指定結點x
*/
E unlink(Node<E> x) {
// assert x != null;
// 記錄要移除元素結點的數據域
final E element = x.item;
// 記錄要移除元素結點的後繼結點指針
final Node<E> next = x.next;
// 記錄要移除元素結點的前驅結點指針
final Node<E> prev = x.prev;
// 若是要移除元素結點的前驅結點爲空，則證實要刪除結點爲第一個結點
if (prev == null) {
// 頭結點指向要刪除元素結點的後繼結點
first = next;
} else {
// 要刪除元素結點的前驅結點的後繼指針指向要刪除元素結點的後繼結點
prev.next = next;
// 清空要刪除結點的前驅結點指針信息，以幫助GC
x.prev = null;
}
// 若是要移除元素結點的後繼結點爲空，則證實要刪除結點爲最後一個結點
if (next == null) {
// 尾結點指向要刪除元素結點的前驅結點
last = prev;
} else {
// 要刪除元素結點的後繼結點的前驅指針指向要刪除元素結點的前驅結點
next.prev = prev;
// 清空要刪除結點的後繼結點指針信息，以幫助GC
x.next = null;
}
// 清空要刪除元素的數據域，以幫助GC
x.item = null;
// 記錄鏈表長度的size - 1
size--;
modCount++;
// 返回移除元素結點的數據域
return element;
}複製代碼
3.
問：那您能夠比較一下ArrayList和LinkedList嗎?
答：
LinkedList內部存儲的是
Node<E>，不只要維護數據域，還要維護prev和next，若是LinkedList中的結點特別多，則LinkedList比ArrayList更佔內存。插入刪除操做效率：
LinkedList在作插入和刪除操做時，插入或刪除頭部或尾部時是高效的，操做越靠近中間位置的元素時，須要遍歷查找，速度相對慢一些，若是在數據量較大時，每次插入或刪除時遍歷查找比較費時。因此LinkedList插入與刪除，慢在遍歷查找，快在只須要更改相關結點的引用地址。
ArrayList在作插入和刪除操做時，插入或刪除尾部時也同樣是高效的，操做其餘位置，則須要批量移動元素，因此ArrayList插入與刪除，快在遍歷查找，慢在須要批量移動元素。循環遍歷效率：
- 因爲ArrayList實現了
RandomAccess隨機訪問接口，因此使用for(int i = 0; i < size; i++)遍歷會比使用Iterator迭代器來遍歷快：
for (int i=0, n=list.size(); i < n; i++) {
list.get(i);
}
runs faster than this loop:
for (Iterator i=list.iterator(); i.hasNext(); ) {
i.next();
}複製代碼
而因爲LinkedList未實現
RandomAccess接口，因此推薦使用Iterator迭代器來遍歷數據。所以，若是咱們須要頻繁在列表的中部改變插入或刪除元素時，建議使用LinkedList，不然，建議使用ArrayList，由於ArrayList遍歷查找元素較快，而且只需存儲元素的數據域，不須要額外記錄其餘數據的位置信息，能夠節省內存空間。
4.
問：LinkedList是線程安全的嗎？
答：LinkedList不是線程安全的，若是多個線程同時對同一個LinkedList更改數據的話，會致使數據不一致或者數據污染。若是出現線程不安全的操做時，LinkedList會盡量的拋出ConcurrentModificationException防止數據異常，當咱們在對一個LinkedList進行遍歷時，在遍歷期間，咱們是不能對LinkedList進行添加，刪除等更改數據結構的操做的，不然也會拋出ConcurrentModificationException異常，此爲fail-fast（快速失敗）機制。從源碼上分析，咱們在add,remove等更改LinkedList數據時，都會致使modCount的改變，當expectedModCount != modCount時，則拋出ConcurrentModificationException。若是想要線程安全，能夠考慮調用Collections.synchronizedCollection(Collection<T> c)方法。
示例代碼：
private class ListItr implements ListIterator<E> {
private Node<E> lastReturned;
private Node<E> 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;
}
public boolean hasPrevious() {
return nextIndex > 0;
}
public E previous() {
checkForComodification();
if (!hasPrevious())
throw new NoSuchElementException();
lastReturned = next = (next == null) ? last : next.prev;
nextIndex--;
return lastReturned.item;
}
public int nextIndex() {
return nextIndex;
}
public int previousIndex() {
return nextIndex - 1;
}
public void remove() {
checkForComodification();
if (lastReturned == null)
throw new IllegalStateException();
Node<E> lastNext = lastReturned.next;
unlink(lastReturned);
if (next == lastReturned)
next = lastNext;
else
nextIndex--;
lastReturned = null;
expectedModCount++;
}
public void set(E e) {
if (lastReturned == null)
throw new IllegalStateException();
checkForComodification();
lastReturned.item = e;
}
public void add(E e) {
checkForComodification();
lastReturned = null;
if (next == null)
linkLast(e);
else
linkBefore(e, next);
nextIndex++;
expectedModCount++;
}
public void forEachRemaining(Consumer<? super E> action) {
Objects.requireNonNull(action);
while (modCount == expectedModCount && nextIndex < size) {
action.accept(next.item);
lastReturned = next;
next = next.next;
nextIndex++;
}
checkForComodification();
}
final void checkForComodification() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
}複製代碼
總結
- LinkedList的結論已在第三個問題中展示了一部分了，因此再也不重複說明了，我以面試問答的形式和你們一同窗習了LinkedList，因爲沒有時間畫圖，可能這次沒有ArrayList說的那麼清楚，若是你們有看不懂的地方，請自行看一下關於鏈表的數據結構吧。若是此文對你有幫助，麻煩點個喜歡，謝謝各位。
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