LinkedList基础回顾？

目录前言类签名泛型Serializable和CloneableDequeList和AbstractListRandomAccess接口（没实现）变量构造函数常用方法List体系下的方法：add(E e)linkLast(E e)方法双向链表的基本形式对于空链表的添加对于非空链表的添加add(int index, E element)node(index)linkBefore头结点处添加：中间位置添加get(int index)Deque体系下的方法：作为队列作为栈总结 前言 本文基于jdk1.8 书接上回，在简单介绍ArrayList的时候，提到了ArrayList实现了RandomAccess接口，拥有随机访问的能力，当时说到了这个接口配合LinkedList理解更容易。今天就来还愿了，开始阅读LinkedList。 LinkedList也算我们比较常用的几个集合之一了，对普通程序员来说， List list1 = new ArrayList() List list2 = new LinkedList()， 该怎么选择？ 其实二者最大的区别在于实现方式的不同，只看名称我们也能知道， ArrayList基于数组，而LinkedList基于链表，所以关键在于数组和链表有啥区别。 说到这，是不是又说明了一个很重要的道理，基础，基础，基础。如果想成为一个真正的程序员，不管你是科班还是半路出家，都要下功夫夯实基础。 说回正题，ArrayList基于数组，查找快（按索引查找），增删慢；LinkedList基于链表，增删快，查找慢。但这只是相对的，仅仅知道这两点，远远不够，所以，继续往下看。 类签名 public class LinkedList<E> extends AbstractSequentialList<E> implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable 鉴于前一篇有很多遗漏，这里多说明一下： 泛型 集合类在1.5开始的版本中都采用了泛型，也就是，最主要的作用就是编译期检查，避免添加进不合理的类型。简单说： 不用泛型，List list1 = new LinkedList()；此时默认类型是Object，也就是可以添加任意类型元素，在取出元素时，就需要强制类型转换，增加了出错几率。 使用泛型，List list2 = new LinkedList()；其中，等号右边String可以省略。此时，编译时会执行检察，添加非String类型元素直接编译不通过，而获取时也不需要强制类型转换。当然，这里涉及到了不同时期的类型擦除，不是本文重点，后期有需要的话再专门写一下。 因为我们使用集合绝大部分情况都是希望存储同一种类型，所以使用泛型（提前声明类型）很重要。这里也体现了一种思想：错误越早暴露越好。 Serializable和Cloneable 实现Cloneable, Serializable接口，具有克隆和序列化的能力。 Deque 实现了Deque接口， 而Deque接口又继承了Queue接口，这也意味着LinkedList可以当队列使用，实现“先进先出”。 List和AbstractList 在上一篇文章中，有一个细节没有说到，可能很多人也有疑问， 为啥抽象类AbstractList已经实现了List接口，ArrayList在继承AbstractList的同时还要再次实现List接口？换到今天的主角，LinkedList继承了AbstractSequentialList，而AbstractSequentialList继承了AbstractList，为啥LinkedList还要单独实现List接口？ 在Stack Overflow上看到两个回答： 一位网友说问过了设计这个类的作者本人，作者本人表示这是当时设计时的一个缺陷，就一直遗留下来了。（当然，我个人觉得这个说法有待考证）。 第二位网友举例表明了不直接再次实现List接口，使用代理时可能会出现意想不到的结果。（从实际的角度看有道理，但是细想之下集合类在jdk1.2已经出现，代理类出现在 1.3，逻辑上有点疑问。） 我个人的理解: 大神在设计集合类的时候充分考虑到了将来优化时的情况。 具体来讲，这里主要在于如何理解接口和抽象类的区别，尤其是在java8之前。接口是一种规范，方便规划体系，抽象类已经有部分实现，更多的是帮助我们减少重复代码，换言之， 这里的抽象类就相当于一个工具类，只不过恰好实现了List接口，而且鉴于java单继承，抽象类有被替换的可能。 在面向接口编程的过程中，List list= new LinkedList()；如果将来LinkedList有了更好的实现，不再继承AbstractSequentialList抽象类，由于本身已经直接实现了List接口，只要内部实现符合逻辑，上述旧代码不会有问题。相反，如果不实现List，去除继承AbstractSequentialList抽象类，上述旧代码就无法编译，也就无法“向下兼容”。 RandomAccess接口（没实现） LinkedList并没有实现RandomAccess接口，实现这个接口的是ArrayList，之所以放在这里是为了对比。 注意，这里说的随机访问的能力指的是根据索引访问，也就是list接口定义的E get(int index)方法，同时意味着ArrayList和LinkedList都必须实现这个方法。 回到问题的本质，为啥基于数组的ArrayList能随机访问，而基于链表的LinkedList不具备随机访问的能力呢？ 还是最基础的知识：数组是一块连续的内存，每个元素分配固定大小，很容易定位到指定索引。而链表每个节点除了数据还有指向下一个节点的指针，内存分配不一定连续，要想知道某一个索引上的值，只能从头开始（或者从尾）一个一个遍历。 RandomAccess接口是一个标记接口，没有任何方法。唯一的作用就是使用instanceof判断一个实现集合是否具有随机访问的能力。 List list1 = new LinkedList()； if (list1 instanceof RandomAccess) { //... } 可能看到这里还是不大明白，不要紧，这个问题的关键其实就是ArrayList和LinkedList对List接口中get方法实现的区别，后文会专门讲到。 变量 //实际存储元素数量 transient int size = 0; /** * 指向头节点，头结点不存在指向上一节点的引用 * * Invariant: (first == null && last == null) || * (first.prev == null && first.item != null) */ transient Node<E> first; /** * 指向尾节点，尾节点不存在指向下一节点的引用 * Invariant: (first == null && last == null) || * (last.next == null && last.item != null) */ transient Node<E> last; //节点类型，包含存储的元素和分别指向下一个和上一个节点的指针 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; } } 注意这里的节点类型，可以看出，LinkedList实现基于双向链表。为啥用不直接用单向链表一链到底呢？最主要的原因是为了查找效率，前面说到链表的查找效率比较低，如果是单向链表，按索引查找时，不管索引处于哪个位置，只能从头开始，平均需要N次；若是双向链表，先判断索引处于前半部分还是后半部分，再决定从头开始还是从尾开始，平均需要N/2次。当然，双向链表的缺点就是需要的存储空间变大，这从另一个方面体现了空间换时间的思想。 上述两个变量，first和last，其本质是指向对象的引用，和Student s=new Student()中的s没有区别，只不过first一定指向链表头节点，last一定指向链表尾节点，起到标记作用，让我们能够随时从头或者从尾开始遍历。 构造函数 //空参构造 public LinkedList() { } //通过指定集合构造LinkedList， 调用addAll方法 public LinkedList(Collection<? extends E> c) { this(); addAll(c); } 常用方法 常用方法比较多（多到一张图截不下），这里主要分两类，一类是List体系，一类是Deque体系. List体系下的方法： 这里主要看两个，add,get add(E e) 添加元素到链表末尾，成功则返回true //添加元素到链表末尾，成功则返回true public boolean add(E e) { linkLast(e); return true; } void linkLast(E e) { //1.复制一个指向尾节点的引用l final Node<E> l = last; //2.将待添加元素构造为一个节点，prev指向尾节点 final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null); //3.last指向新构造的节点 last = newNode //4.如果最初链表为空，则将first指向新节点 if (l == null) first = newNode; //5.最初链表不为空，则将添加前最后元素的next指向新节点 else l.next = newNode; //存储的元素数量+1 size++; //修改次数+1 modCount++; } 关键在于linkLast(E e)方法，分两种情况，最初是空链表添加元素和最初为非空链表添加。 这里涉及到的知识很基础，还是链表的基本操作，但是单纯用语言很难描述清楚，所以画个简图表示一下（第一次画图，没法尽善尽美，将就一下吧） linkLast(E e)方法 双向链表的基本形式 对于空链表的添加 对应linkLast(E e)方法注释1、2、3、4 空链表，没有节点，意味着first和last都指向null 1.复制一个指向尾节点的引用l（蓝色部分） 此时复制的引用l本质也指向了null 2.将待添加元素构造为一个节点newNode，prev指向l，也就是null 3.last指向新构造的节点(红色部分) 4.最初链表为空，将first指向新节点 此时，first和last均指向唯一非空节点，当然引用newNode依然存在，但是已经没有意义。 对于非空链表的添加 对应linkLast(E e)方法注释1、2、3、5 1.复制一个指向尾节点的引用l（蓝色部分） 2.将待添加元素构造为一个节点newNode，prev指向尾节点（蓝色部分） 3.last指向新构造的节点(红色部分) 5.将添加前最后元素的next指向新节点（绿色部分） 此时，引用newNode和l引用依然存在，但是已经没有意义。 add(int index, E element) 将元素添加到指定位置 public void add(int index, E element) { checkPositionIndex(index); if (index == size) linkLast(element); else linkBefore(element, node(index)); } 可以看出，该方法首先检查指定索引是否符合规则，也就是在index >= 0 且 index <= size； 如果index==size，则相当于直接在链表尾部插入，直接调用linkLast方法； 以上不满足，调用linkBefore方法，而linkBefore中调用了node(index)。 node(index) node(index)作用是返回指定索引的节点，这里用到了我们前面说到的一个知识，先判断索引在前半部分还是在后半部分，再决定从头还是从尾开始遍历。 Node<E> node(int index) { // assert isElementIndex(index); //如果索引在前半部分，则从头结点开始往后遍历 if (index < (size >> 1)) { Node<E> x = first; for (int i = 0; i < index; i++) x = x.next; return x; } else { //如果索引在后半部分，则从尾向前遍历 Node<E> x = last; for (int i = size - 1; i > index; i--) x = x.prev; return x; } } linkBefore 回过头来看linkBefore，参数分别为待插入的元素，以及指定位置的节点 void linkBefore(E e, Node<E> succ) { // assert succ != null; //1.复制指向目标位置的上一个节点引用 final Node<E> pred = succ.prev; //2.构造新节点，prev指向目标位置的上一个节点，next指向原来目标位置节点 final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ); //3.原来节点prev指向新节点 succ.prev = newNode; //4.如果插在头结点位置，则first指向新节点 if (pred == null) first = newNode; //5.非头节点，目标位置上一节点的next指向新节点 else pred.next = newNode; size++; modCount++; } 上述过程可以看出，关键过程在于linkBefore方法，我们同样画图表示： 头结点处添加： 1.复制指向目标位置的上一个节点引用 Node<E> pred = succ.prev; 本质是指向null 2.构造新节点，prev指向目标位置的上一个节点，next指向原来目标位置节点 Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ); 3.目标节点的prev指向待添加新节点 succ.prev = newNode; 4.first指向新节点 first = newNode; 中间位置添加 如图，假设指定添加到第三个节点，即index=2，则第二个和第三个节点之间必须有断开的过程。 1.复制指向目标位置的上一个节点引用，也就是第二个节点 Node<E> pred = succ.prev; 2.构造新节点，prev指向复制的上一个节点，next指向原来目标位置上的节点 Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ); 3.目标节点的prev指向待添加新节点 succ.prev = newNode; 5.目标位置上一节点的next指向新节点 pred.next = newNode; get(int index) public E get(int index) { checkElementIndex(index); return node(index).item; } get方法是按索引获取元素，本质调用node(index)，上一部分已经提到了这个方法，虽然双向链表在一定程度上提高了效率，由N减少到N/2，但本质上时间复杂度还是N的常数倍，所以轻易不要用这个方法，在需要随机访问的时候应当使用ArrayList，在需要遍历访问以及增删多查找少的时候考虑LinkedList。之所以要有这个方法是由List接口指定，这个方法也是LinkedList没有实现RandomAccess接口的原因之一。 Deque体系下的方法： 当我们把LinkedList当队列和栈使用时，主要用到的就是Deque体系下的方法。 如果稍微细看一下，会发现上述很多方法基本是重复的，比如push(E e)其实就是调用了addFirst(e)， addFirst(e)也是直接调用了linkFirst(e)；pop()就是直接调用了removeFirst(); 为啥搞这么麻烦，一个方法起这么多名称？ 其实是因为从不同角度来看LinkedList时，它具有不同的角色。可以说它哪里都能添加，哪里都能删除。 具体使用时建议仔细看下对应注释。 作为队列 队列的基本特点是“先进先出”，相当于链表尾添加元素，链表头删除元素。 对应的方法是offer(E e)，peek()，poll() public boolean offer(E e) { return add(e); } public boolean add(E e) { linkLast(e); return true; } 可以看出offer方法的本质还是在链表末尾添加元素，linkLast(e)方法前面已经讲到。 /** * Retrieves, but does not remove, the head (first element) of this list. * * @return the head of this list, or {@code null} if this list is empty * @since 1.5 */ public E peek() { final Node<E> f = first; return (f == null) ? null : f.item; } peek()方法返回队列第一个元素，但是不删除元素。也就是说多次peek得到同一个元素。 /** * Retrieves and removes the head (first element) of this list. * * @return the head of this list, or {@code null} if this list is empty * @since 1.5 */ public E poll() { final Node<E> f = first; return (f == null) ? null : unlinkFirst(f); } poll() 方法返回队列第一个元素的同时并将其从队列中删除。也就是多次poll得到不同元素。 显然poll方法更符合队列的概念。 这里没有详细解说删除相关的方法，是因为如果前面的添加方法细看了，删除方法也很简单，无非是越过被删除的元素连接指针，这里没必要浪费篇幅。不妨自己画一下，有助于理解。 作为栈 栈的基本特点是“先进后出”，相当于链表头部添加元素，头部删除元素。 对应的方法是push(E e)和pop()。 public void push(E e) { addFirst(e); } public void addFirst(E e) { linkFirst(e); } 可以看出，push是在调用addFirst，进而调用linkFirst(e)，而在头部添加元素，add(int index, E element)方法处已经讲到了，大体只是方法名不一样而已。 public E pop() { return removeFirst(); } pop()方法返回并删除第一个元素。 总结 这篇文章主要讲了LinkedList相关的最基本的内容，更多的是回顾一些基础知识，既有java相关的，也有最基础数据结构的知识，比如链表相关的操作。第一次画图来说明问题，有时候真的是一图胜千言。写到这里最大的感受是基础很重要，它决定了你能走多远。 希望我的文章能给你带来一丝帮助！