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Java集合系列之LinkedList源碼分析

 更新時間:2018年02月27日 11:54:32   作者:勞夫子  
這篇文章主要為大家詳細介紹了Java集合系列之LinkedList源碼,具有一定的參考價值,感興趣的小伙伴們可以參考一下

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

F表示頭結點引用,L表示尾結點引用,鏈表的每個結點都有三個元素,分別是前繼結點引用(P),結點元素的值(E),后繼結點的引用(N)。結點由內部類Node表示,我們看看它的內部結構。

//結點內部類
private static class Node<E> {
  E item;     //元素
  Node<E> next;  //下一個節(jié)點
  Node<E> prev;  //上一個節(jié)點

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

Node這個內部類其實很簡單,只有三個成員變量和一個構造器,item表示結點的值,next為下一個結點的引用,prev為上一個結點的引用,通過構造器傳入這三個值。接下來再看看LinkedList的成員變量和構造器。

//集合元素個數(shù)
transient int size = 0;

//頭結點引用
transient Node<E> first;

//尾節(jié)點引用
transient Node<E> last;

//無參構造器
public LinkedList() {}

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

LinkedList持有頭結點的引用和尾結點的引用,它有兩個構造器,一個是無參構造器,一個是傳入外部集合的構造器。與ArrayList不同的是LinkedList沒有指定初始大小的構造器。看看它的增刪改查方法。

//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)
public E remove(int index) {
  //檢查下標是否合法
  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) {
  //檢查下標是否合法
  checkElementIndex(index);
  //獲取指定下標的結點引用
  Node<E> x = node(index);
  //獲取指定下標結點的值
  E oldVal = x.item;
  //將結點元素設置為新的值
  x.item = element;
  //返回之前的值
  return oldVal;
}

//查
public E get(int index) {
  //檢查下標是否合法
  checkElementIndex(index);
  //返回指定下標的結點的值
  return node(index).item;
}

LinkedList的添加元素的方法主要是調用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。

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

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

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

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

  //將給定結點的元素置空
  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點和卸載結點的操作,其他的鏈接和卸載兩端結點的方法與此類似,所以我們重點介紹linkBefore和unlink方法。

linkBefore方法的過程圖:

unlink方法的過程圖:

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

//根據(jù)指定位置獲取結點
Node<E> node(int index) {
  //如果下標在鏈表前半部分, 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,因此通過下標的查找和修改操作的時間復雜度是O(n/2)。通過對雙向鏈表的操作還可以實現(xiàn)單項隊列,雙向隊列和棧的功能。

單向隊列操作:

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

//獲取頭結點
public E element() {
  return getFirst();
}

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

//移除頭結點
public E remove() {
  return removeFirst();
}

//在隊列尾部添加結點
public boolean offer(E e) {
  return add(e);
}

雙向隊列操作:

//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;
}

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

//獲取尾結點
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();
}

不管是單向隊列還是雙向隊列還是棧,其實都是對鏈表的頭結點和尾結點進行操作,它們的實現(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。可以說這四個方法都是linkBefore()和unlink()方法的特殊情況,因此不難理解它們的內部實現(xiàn),在此不多做介紹。到這里,我們對LinkedList的分析也即將結束,對全文中的重點做個總結:
1. LinkedList是基于雙向鏈表實現(xiàn)的,不論是增刪改查方法還是隊列和棧的實現(xiàn),都可通過操作結點實現(xiàn)
2. LinkedList無需提前指定容量,因為基于鏈表操作,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存自動縮小,無需像ArrayList一樣調用trimToSize()方法
4. LinkedList的所有方法沒有進行同步,因此它也不是線程安全的,應該避免在多線程環(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容,希望對大家的學習有所幫助,也希望大家多多支持腳本之家。

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