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《我们一起学集合》-LinkedList

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发布于: 2021 年 02 月 04 日
《我们一起学集合》-LinkedList

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1.前言


今天我们要研究的集合是LinkedList,在我们学习LinkedList之前,我们先看看LinkedList的相关面试题。


1.LinkedList的结构。

2.LinkedList插入元素的详细过程。

3.LinkedListArrayList的区别。

4.……


这些面试题都是考察我们对链表这种结构是否有了解,是否有看过相关源码实现;只要看过源码,这些问题回答起来很是轻松;废话不多说,让我们一起来看看 LinkedList 的源码实现。



2.概述


LinkedList 底层实现是一个双向链表,这种结构非常适合队列(先入先出)和栈(先入后出)的操作;并且他实现了ListDeque接口,所以它不仅有列表的操作还有队列相关的操作;其实现的队列和栈的出队入队,出栈入栈操作时间复杂度均为O(1), 如下是其结构示意图:



3.类图



  • AbstractSequentialList 抽象类,提供了 List 接口的相关实现和迭代逻辑的实现,不过对LinkedList意义不大,因为LinkedList大量重写了其中的实现

  • List 接口,定义了数组的增删改查迭代遍历等相关操作。

  • Cloneable 接口,支持LinkedList克隆

  • Serializabel 接口,支持LinkedList序列化与反序列化

  • Deque接口,定义了队列两端插入和删除元素的相关操作。

4.属性


首先让我们看看源码中的定义:

public class LinkedList<E> extends AbstractSequentialList<E>    implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable{    // 链表大小(储存元素的个数)    transient int size = 0;
// 头结点 transient Node<E> first;
// 尾结点 transient Node<E> last; // 储存元素的类(节点) private static class Node<E> { // 实际储存的元素 E item; // next节点 Node<E> next; // prev节点 Node<E> prev;
Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) { this.item = element; this.next = next; this.prev = prev; } } // 该属性是通过继承 AbstractList 得来,列表修改的次数(版本号) protected transient int modCount = 0;}
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  • Node 是链表中储存数据的节点,他有三个属性item(存储元素),next(指向下一个节点),prev(指向上一个节点)。

  • size 双向链表的节点个数。

  • first 双向链表头,头节点的prev指向null

  • last 双向链表尾,尾节点的next指向null

  • modCount 版本号,记录修改次数。

5.常用方法

5-1.新增


LinkedList的新增分三类:首节点新增,指定索引节点新增,尾节点新增。首先,看看对 List`接口实现的新增:

// 将指定的元素追加到此列表的末尾。 此方法等效于addLast(E)。public boolean add(E e) {    linkLast(e);    return true;}// 将元素添加到列表尾void linkLast(E e) {    // 预存尾结点    final Node<E> l = last;     final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);    last = newNode;    // 判断是否为第一个插入的节点    if (l == null)         first = newNode;    else        l.next = newNode;    size++;    modCount++;}
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如图我们可以知道,在向末尾添加元素时先预存了last节点,然后构造新节点newNode并连接到当前尾节点,然后在更新newNode节点为last节点,最后在将节点连接完成。

指定索引节点新增:

// 将指定的元素插入此列表中的指定位置。将当前在该位置的元素(如果有)和任何后续元素右移(将其索引加一)。public void add(int index, E element) {    checkPositionIndex(index);    // 小优化    if (index == size)        linkLast(element);    else        linkBefore(element, node(index));}// 返回指定元素索引处的(非空)节点。Node<E> node(int index) {    // assert isElementIndex(index);    // 小优化,一次二分查找    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;    }}// 在非null节点succ之前插入元素evoid linkBefore(E e, Node<E> succ) {    // assert succ != null;    // 预存上一位节点    final Node<E> pred = succ.prev;     final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);    // 链接新节点    succ.prev = newNode;     // 判断succ是否为头节点    if (pred == null)         first = newNode;    else        pred.next = newNode;    size++;    modCount++;}
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如图我们可以知道,在指定索引位置添加元素时有 5 步:

  • 通过node(int index)方法找到指定索引节点succ

  • 先预存指定索引节点succprev节点为pred

  • 构建新节点newNode并连接指定索引节点succprev节点和指定索引节点succ

  • 将指定索引节点succprev指向newNode节点

  • 将预存的prev节点prednext节点指向newNode节点

通过源码我们还可以知道,node(int index)(指定索引查找节点)方法有个小优化

// 返回指定元素索引处的(非空)节点。Node<E> node(int index) {    // assert isElementIndex(index);    // 小优化,一次二分查找    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;    }}
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它通过一次二分的方式,定位了索引在前半段还是后半段,减少了一半的查询时间,提高了查询效率。



下面是添加集合到链表的方法,插入方式和上面基本相似。

// 将指定集合中的所有元素追加到此列表的末尾,按照指定集合的迭代器返回它们的顺序。public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {    return addAll(size, c);}
// 从指定位置开始,将指定集合中的所有元素插入此列表。// 将当前在该位置的元素(如果有)和任何后续元素右移(增加其索引)// 新元素将按照指定集合的迭代器返回的顺序显示在列表中。public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) { checkPositionIndex(index); // 检查插入位置是否合法
Object[] a = c.toArray(); int numNew = a.length; if (numNew == 0) return false; // 储存上一位元素和当前index位置的元素 Node<E> pred, succ; if (index == size) { succ = null; pred = last; } else { succ = node(index); pred = succ.prev; }
for (Object o : a) { // 构造元素 @SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) o; Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, null); // 链接到链表 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;}
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LinkedList不仅实现了List接口,还实现了Deque接口,下面看看Deque接口的实现:

// 将指定的元素插入此列表的开头。public void addFirst(E e) {    linkFirst(e);}// 将元素添加到列表头private void linkFirst(E e) {    // 预存头结点    final Node<E> f = first;     // 构造新节点    final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);     // 新节点升级为头节点    first = newNode;    // 将新节点和链表链接    // 判断是否为第一个插入的节点    if (f == null)         last = newNode;    else        f.prev = newNode;    size++; // 链表大小加一    modCount++; // 版本号加一}
// 将指定的元素追加到此列表的末尾。 此方法等效于add(E)。public void addLast(E e) { linkLast(e);}// 将元素添加到列表尾void linkLast(E e) { // 预存尾结点 final Node<E> l = last; final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null); last = newNode; // 判断是否为第一个插入的节点 if (l == null) first = newNode; else l.next = newNode; size++; modCount++;}
// 将指定的元素添加为此列表的尾部(最后一个元素)。public boolean offer(E e) { return add(e); // add(E e)->linkLast(E e)}
// 将指定的元素插入此列表的前面。public boolean offerFirst(E e) { addFirst(e); // addFirst(E e)->linkFirst(E e) return true;}
// 将指定的元素插入此列表的末尾。public boolean offerLast(E e) { addLast(e); // addLast(E e)->linkLast(E e) return true;}
// 将元素压入此列表表示的堆栈。换句话说,将元素插入此列表的前面。 此方法等效于addFirst(E)。public void push(E e) { addFirst(e); // addFirst(E e)->linkFirst(E e)}
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通过源码我们发现LinkedList实现Deque接口的插入最终都是调用linkFirst(E e)linkLast(E e),其插入过程在源码中以详细注释。

5-2.删除

首先我们看看LinkedListList接口的实现:对指定元素对象删除和对指定节点删除

// 如果存在指定元素,则从该列表中删除该元素的第一次出现。// 如果此列表不包含该元素,则它保持不变。// 如果此列表包含指定的元素,则返回true。public boolean remove(Object o) {    if (o == null) { // null值特殊处理        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)) { // 自定义元素对象,注意重写equals                unlink(x);                return true;            }        }    }    return false;}
// 取消链接x节点E unlink(Node<E> x) { // assert x != null; // 预存x节点Item final E element = x.item; // 预存x节点下一位节点 final Node<E> next = x.next; // 预存x节点上一位节点 final Node<E> prev = x.prev;
// x的上一位节点链接x的下一位节点 if (prev == null) { first = next; } else { prev.next = next; x.prev = null; } // x的下一位节点链接x的上一位节点 if (next == null) { last = prev; } else { next.prev = prev; x.next = null; }
x.item = null; size--; modCount++; return element;}
// 删除此列表中指定位置的元素。将所有后续元素向左移动(从其索引中减去一个)。返回从列表中删除的元素。public E remove(int index) { checkElementIndex(index); return unlink(node(index));}
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通过源码发现,最终删除都是通过unlink(Node<E> x)来完成,过程如下图:



我们再来看看LinkedListDeque接口的实现:

// 检索并删除此列表的头(第一个元素)。public E remove() {    return removeFirst(); // -> unlinkFirst(f)}
// 从此列表中删除并返回第一个元素。public E removeFirst() { final Node<E> f = first; if (f == null) throw new NoSuchElementException(); return unlinkFirst(f);}
// 取消链接非空的第一个节点fprivate E unlinkFirst(Node<E> f) { // assert f == first && f != null; // 预存first节点的Item final E element = f.item; // 预存第二个节点 final Node<E> next = f.next; f.item = null; f.next = null; // help GC // 移除第一个节点 first = next; // 连接节点 if (next == null) last = null; else next.prev = null; size--; modCount++; return element;}
// 从此列表中删除并返回最后一个元素。public E removeLast() { final Node<E> l = last; if (l == null) throw new NoSuchElementException(); return unlinkLast(l);}// 取消链接非空的最后一个节点lprivate E unlinkLast(Node<E> l) { // assert l == last && l != null; // 预存last节点Item final E element = l.item; // 预存倒数第二个节点 final Node<E> prev = l.prev; l.item = null; l.prev = null; // help GC // 移除最后一个节点 last = prev; // 连接 if (prev == null) first = null; else prev.next = null; size--; modCount++; return element;}
// 检索并删除此列表的第一个元素,如果此列表为空,则返回null。public E pollFirst() { final Node<E> f = first; return (f == null) ? null : unlinkFirst(f);}
// 检索并删除此列表的最后一个元素,如果此列表为空,则返回null。public E pollLast() { final Node<E> l = last; return (l == null) ? null : unlinkLast(l);}
// 检索并删除此列表的头(第一个元素)。public E poll() { final Node<E> f = first; return (f == null) ? null : unlinkFirst(f);}
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从源码中我们可以知道LinkedListDeque的删除实现,最终都都是调用的unlinkFirst(Node<E> f)unlinkLast(Node<E> l),其移除过程在源码中有详细注释。



5-3.修改


老规矩,还是先看看源码实现:

// 用指定的元素替换此列表中指定位置的元素。public E set(int index, E element) {    checkElementIndex(index);    // 返回指定元素索引处的(非空)节点。    Node<E> x = node(index);    E oldVal = x.item;    x.item = element;    return oldVal;}
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LinkedList实现的修改过程十分简单:

  • 首先检查索引是否合法>=0&&<size

  • 其次通过node(int index)找到要修改的节点。

  • 最后修改item,返回旧值。

5-4.查询


LinkedListList接口的查询实现包括:通过索引查询和通过元素查询(从前往后和从后往前)

// 返回此列表中指定位置的元素。public E get(int index) {    checkElementIndex(index);    return node(index).item;}
// 如果此列表包含指定的元素,则返回true。// 更正式地说,当且仅当此列表包含至少一个元素(e == null?e == null:o.equals(e))时,返回true。public boolean contains(Object o) { return indexOf(o) != -1;}
// 返回指定元素在此列表中首次出现的索引;如果此列表不包含该元素,则返回-1。// 更正式地,返回最低索引i,使其(o == null?get(i)== null:o.equals(get(i)));// 如果没有这样的索引,则返回-1。public int indexOf(Object o) { int index = 0; if (o == null) { for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) { if (x.item == null) return index; index++; } } else { for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) { if (o.equals(x.item)) return index; index++; } } return -1;}
// 返回指定元素在此列表中最后一次出现的索引;如果此列表不包含该元素,则返回-1。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;}
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LinkedListDeque接口的查询实现:

// 检索但不删除此列表的头(第一个元素)public E peek() {    final Node<E> f = first;    return (f == null) ? null : f.item;}
// 检索但不删除此列表的第一个元素,如果此列表为空,则返回null。public E peekFirst() { final Node<E> f = first; return (f == null) ? null : f.item;}
// 检索但不删除此列表的最后一个元素,如果此列表为空,则返回null。public E peekLast() { final Node<E> l = last; return (l == null) ? null : l.item;}
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6.总结


从源码中我们可以看出链表实现队列和栈非常有优势,只需要对表头和表尾进行操作既可。而且LinkedList的属性刚好保存了头和尾的引用,所以整个操作都是O(1)的时间复杂度。

现在我们在来看看最开始的面试题:


1.LinkedList的结构。

2.LinkedList插入元素的详细过程。

3.LinkedListArrayList的区别。


通过源码的学习 1,2 两个题目可以很轻松的回答,我们重点研究第 3 个问题:LinkedListArrayList的区别。

通过上一篇《我们一起学集合》-ArrayList文章的学习,我们可以知道ArrayList底层是基于数组实现的支持动态扩容的一种数据结构,他随机访问快,随机插入和删除慢(因为会移动元素)和LinkedList的区别有:

  • 结构不同:ArrayList是基于数组,LinkedList是基于节点Node

  • 效率不同:ArrayList随机访问比LinkedList效率高,因为LinkedList必须每次从头遍历查找

  • 储存不同:ArrayList需要大量的连续储存空间,并且在连续扩容后会产生较多存碎片,而LinkedList不需要连续的储存空间,这意味着它可以使用更多内存,但它储存每个元素消耗的内存也更多,因为他必须保持每个节点的prevnext引用。


从理论上讲ArrayList删除一个元素的效率是比LinkedList低,应为ArrayList删除一个不是末尾的元素会产生元素拷贝,而LinkedList删除一个元素只是修改前后节点的引用。



从理论上讲是这样,但在实际中,由于现代计算机体系结构的缘故(cpu 缓存),在几乎所有可能的用例中,ArrayList的效率都将大大提高。主要是LinkedList的节点随机分布在整个内存中。 RAM(“随机访问内存”)并不是真正随机的,需要获取内存块以进行缓存。此操作需要时间,并且当此类获取频繁发生时缓存中的内存页面需要一直替换->缓存未命中->缓存效率不高。 ArrayList元素存储在连续内存中,这更利于缓存。这也正是现代 CPU 体系结构正在优化的内容。



个人认为ArrayListLinkedList的选用是一个复杂的问题,需要根据不同的场景和考虑后才能决定。个人倾向在一般情况下优先使用ArrayList


参考文章:


https://stackoverflow.com/questions/322715/when-to-use-linkedlist-over-arraylist-in-java/24607151#24607151


https://stackoverflow.com/questions/11667955/difference-between-arraylist-and-linkedlist


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发布于: 2021 年 02 月 04 日阅读数: 18
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只有做自己喜欢的事情,才能元气满满 2020.10.24 加入

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