Java中集合LinkedList的原理與使用方法
前言
LinkedList和ArrayList一樣是集合List的實現(xiàn)類，雖然較之ArrayList，其使用場景并不多，但同樣有用到的時候，那么接下來，我們來認識一下它。
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);
}
上面代碼中采用了兩種方式來定義LinkedList，可以定義一個空集合，也可以傳遞已有的集合，將其轉化為LinkedList。我們看一下源碼
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(xiàn)了List接口，AbstractSequentialList中已經實現(xiàn)了很多方法，如get(int index)、set(int index, E element)、add(int index, E element) 和 remove(int index)，這些方法是我們集合操作時使用最多的，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(xiàn)。因此我們回到LinkedList類
LinkedList類中定義了三個變量
size：集合的長度
first：雙向鏈表頭部節(jié)點
last：雙向鏈表尾部節(jié)點
針對first變量和last變量，我們看到是Node類的實體，這是一個靜態(tài)內部類，關于靜態(tài)內部類的講解，我們在static五大應用場景一章已經有說明
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;
}
}
我們知道LinkedList是通過雙向鏈表實現(xiàn)的，而雙向鏈表就是通過Node類來體現(xiàn)的，類中通過item變量保存了當前節(jié)點的值，通過next變量指向下一個節(jié)點，通過prev變量指向上一個節(jié)點。
二. LinkedList常用方法
1. get(int index)
我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，那么我來看一下為什么
public E get(int index) {
checkElementIndex(index);
return node(index).item;
}
/**
* 返回一個指定索引的非空節(jié)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;
}
}
從上述代碼中我們可以看到get(int index)方法是通過node(int index)來實現(xiàn)的，它的實現(xiàn)機制是：
比較傳入的索引參數(shù)index與集合長度size/2，如果是index小，那么從第一個順序循環(huán)，直到找到為止；如果index大，那么從最后一個倒序循環(huán)，直到找到為止。也就是說越靠近中間的元素，調用get(int index方法遍歷的次數(shù)越多，效率也就越低，而且隨著集合的越來越大，get(int index)執(zhí)行性能也會指數(shù)級降低。因此在使用LinkedList的時候，我們不建議使用這種方式讀取數(shù)據，可以使用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)
大家都在說LinkedList插入、刪除操作效率比較高，以stringList.add(“豬八戒”)為例來看到底發(fā)生了什么？
在LinkedList中我們找到add(E e)方法的源碼
public boolean add(E e) {
linkLast(e);
return true;
}
/**
* 設置元素e為最后一個元素
*/
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：
情況1：假如stringList為空，那么添加進來的node就是first，也是last，這個node的prev和next都為null;
情況2：假如stringList不為空，那么添加進來的node就是last，node的prev指向以前的最后一個元素，node的next為null；同時以前的最后一個元素的next.
而如果通過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(jié)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(xiàn)沒有本質區(qū)別，都是通過新建一個Node實體，同時指定其prev和next來實現(xiàn)，不同點在于需要調用node(int index)通過傳入的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。
其實看到這里，大家也都明白了。
LinkedList插入效率高是相對的，因為它省去了ArrayList插入數(shù)據可能的數(shù)組擴容和數(shù)據元素移動時所造成的開銷，但數(shù)據擴容和數(shù)據元素移動卻并不是時時刻刻都在發(fā)生的。
3. remove(Object o) 和 remove(int index)
這里removeFirst()和removeLast()就不多說了，會用到類中定義的first和last變量，非常簡單，我們看一下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(jié)點，并將該節(jié)點的上一個節(jié)點（如果有）和下一個節(jié)點（如果有）關聯(lián)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(xiàn)都非常簡單，先找到要刪除的節(jié)點，remove(Object o)方法遍歷整個集合，通過 == 或 equals方法進行判斷；remove(int index)通過node(index)方法。
4. LinkedList遍歷
我們主要列舉一下三種常用的遍歷方式，
普通for循環(huán)，增強for循環(huán)，Iterator迭代器
public static void main(String[] args) {
LinkedList<Integer> list = getLinkedList();
//通過快速隨機訪問遍歷LinkedList
listByNormalFor(list);
//通過增強for循環(huán)遍歷LinkedList
listByStrengThenFor(list);
//通過快迭代器遍歷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;
}
/**
* 通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");
}
/**
* 通過增強for循環(huán)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");
}
/**
* 通過快迭代器遍歷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(zhí)行結果如下：
listByNormalFor：1067 ms
listByStrengThenFor：3 ms
listByIterator：2 ms
通過普通for循環(huán)隨機訪問的方式執(zhí)行時間遠遠大于迭代器訪問方式，這個我們可以理解，在前面的get(int index)方法中已經有過說明，那么為什么增強for循環(huán)能做到迭代器遍歷差不多的效率？
通過反編譯工具后得到如下代碼
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，增強for循環(huán)遍歷時也調用了迭代器Iterator，不過多了一個賦值的過程。
還有類似于pollFirst()，pollLast()取值后刪除的方法也能達到部分的遍歷效果。
三. 總結
本文基于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，同時針對其常用方法進行分析，包括get，add，remove以及常用的遍歷方法，并簡單的說明了它的插入、刪除操作為何相對高效，而取值操作性能相對較低，若有不對之處，請批評指正，望共同進步，謝謝！
好了，以上就是這篇文章的全部內容了，希望本文的內容對大家的學習或者工作具有一定的參考學習價值，謝謝大家對腳本之家的支持。
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