Java基础：Java容器之LinkedList

Java容器之LinkedList

定义

实现List接口与Deque接口双向链表，实现了列表的所有操作，并且允许包括null值的所有元素，对于LinkedList定义我产生了如下疑问：

• 1.Deque接口是什么，定义了一个怎样的规范?
• 2.LinkedList是双向链表，其底层实现是怎样的,具体包含哪些操作?

下文将围绕这两个问题进行，去探寻LinkedList内部的奥秘,以下源码是基于JDK1.7.0_79。

结构

类结构

LinkedList的类的结构如下图所示:

通过上图可以看出，LinkedList继承的类与实现的接口如下：

• 1.Collection 接口： Collection接口是所有集合类的根节点，Collection表示一种规则，所有实现了Collection接口的类遵循这种规则
• 2.List 接口： List是Collection的子接口，它是一个元素有序(按照插入的顺序维护元素顺序)、可重复、可以为null的集合
• 3.AbstractCollection 类： Collection接口的骨架实现类，最小化实现了Collection接口所需要实现的工作量
• 4.AbstractList 类： List接口的骨架实现类，最小化实现了List接口所需要实现的工作量
• 5.Cloneable 接口： 实现了该接口的类可以显示的调用Object.clone()方法，合法的对该类实例进行字段复制，如果没有实现Cloneable接口的实例上调用Obejct.clone()方法，会抛出CloneNotSupportException异常。正常情况下，实现了Cloneable接口的类会以公共方法重写Object.clone()
• 6.Serializable 接口： 实现了该接口标示了类可以被序列化和反序列化，具体的 查询序列化详解
• 7.Deque 接口： Deque定义了一个线性Collection，支持在两端插入和删除元素，Deque实际是“double ended queue(双端队列)”的简称，大多数Deque接口的实现都不会限制元素的数量，但是这个队列既支持有容量限制的实现，也支持没有容量限制的实现，比如LinkedList就是有容量限制的实现,其最大的容量为Integer.MAX_VALUE
• 8.AbstractSequentialList 类： 提供了List接口的骨干实现，最大限度地减少了实现受“连续访问”数据存储(如链表)支持的此接口所需的工作，对于随机访问数据(如数组)，应该优先使用 AbstractList，而不是使用AbstractSequentailList类

基础属性及构造方法

基础属性

public class LinkedList<E>
    extends AbstractSequentialList<E>
    implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable
{
    //长度
    transient int size = 0;
    //指向头结点
    transient Node<E> first;
    //指向尾结点
    transient Node<E> last;
}

如上源码中为LinkedList中的基本属性，其中size为LinkedList的长度，first为指向头结点，last指向尾结点，Node为LinkedList的一个私有内部类，其定义如下，即定义了item(元素)，next(指向后一个元素的指针)，prev(指向前一个元素的指针)

private static class Node<E> {
    //元素
    E item;
    //指向后一个元素的指针
    Node<E> next;
    //指向前一个元素的指针
    Node<E> prev;

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

那么假如LinkedList中的元素为["A","B","C"],其内部的结构如下图所示

可以看出一个节点中包含三个属性，也就是上面源码中定义的属性，可以清晰的看出LinkedList底层是双向链表的实现

构造方法

在源码中，LinkedList主要提供了两个构造方法，

• 1.public LinkedList() ：空的构造方法，啥事情都没有做
• 2.public LinkedList(Collection<? extends E> c) : 将一个元素集合添加到LinkedList中

底层实现

在2.2.1中的LinkedList内部结构图，可以清晰的看出LinkedList双向链表的实现，下面将通过源码分析如何在双向链表中添加和删除节点的。

添加节点

通常我们会使用add(E e)方法添加元素，通过源码我们发现add(E e)内部主要调用了以下方法
//在链表的最后添加元素

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++;
}

其实通过源码可以看出添加的过程如下

• 1.记录当前末尾节点，通过构造另外一个指向末尾节点的指针l
• 2.产生新的节点：注意的是由于是添加在链表的末尾，next是为null的
• 3.last指向新的节点
• 4.这里有个判断，我的理解是判断是否为第一个元素(当l==null时，表示链表中是没有节点的)，
  那么就很好理解这个判断了，如果是第一节点，则使用first指向这个节点，若不是则当前节点的next指向新增的节点
• 5.size增加
  例如，在上面提到的LinkedList["A","B","C"]中添加元素“D”，过程大致如图所示

LinkedList中还提供如下的方法，进行添加元素，具体逻辑与linkLast方法大同小异，就不在这里一一介绍了。

删除节点

LinkedList中提供了两个方法删除节点，如下源码所示

//方法1.删除指定索引上的节点
public E remove(int index) {
    //检查索引是否正确
    checkElementIndex(index);
    //这里分为两步，第一通过索引定位到节点，第二删除节点
    return unlink(node(index));
}

//方法2.删除指定值的节点
public boolean remove(Object o) {
    //判断删除的元素是否为null
    if (o == null) {
        //若是null遍历删除
        for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
            if (x.item == null) {
                unlink(x);
                return true;
            }
        }
    } else {
        //若不是遍历删除 
        for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
            if (o.equals(x.item)) {
                unlink(x);
                return true;
            }
        }
    }
    return false;
}

通过源码可以看出两个方法都是通过unlink()删除，在方法一种有个方法要介绍下，就是node(index)该方法的作用就是根据下标找到对应的节点，要是本人去写这个方法肯定是遍历到index找到对应的节点，而JDK提供的方法如下所示

• 1.首先确定index的位置，是靠近first还是靠近last
• 2.若靠近first则从头开始查询，否则从尾部开始查询，可以看出这样避免极端情况的发生，也更好的利用了LinkedList双向链表的特征

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;
    }
}

下面会详细介绍unlink()方法的源码,这是删除节点最核心的方法

E unlink(Node<E> x) {
    // assert x != null;
    final E element = x.item;
    final Node<E> next = x.next;
    final Node<E> prev = x.prev;

    //删除的是第一个节点，first向后移动
    if (prev == null) {
        first = next;
    } else {
        prev.next = next;
        x.prev = null;
    }

    //删除的是最后一个节点，last向前移
    if (next == null) {
        last = prev;
    } else {
        next.prev = prev;
        x.next = null;
    }

    x.item = null;
    size--;
    modCount++;
    return element;
}

• 1.获取到需要删除元素当前的值，指向它前一个节点的引用，以及指向它后一个节点的引用。
• 2.判断删除的是否为第一个节点，若是则first向后移动，若不是则将当前节点的前一个节点next指向当前节点的后一个节点
• 3.判断删除的是否为最后一个节点，若是则last向前移动，若不是则将当前节点的后一个节点的prev指向当前节点的前一个节点
• 4.将当前节点的值置为null
• 5.size减少并返回删除节点的值

至此介绍了LinkedList添加、删除元素的内部实现。

4.对比

在ArrList详解中讲解了ArrayList的相关的内容，下面将对ArrayList与LinkedList进行对比，主要从以下方面进行

4.1 相同点

• 1.接口实现：都实现了List接口，都是线性列表的实现
• 2.线程安全：都是线程不安全的

4.2 区别

• 1.底层实现:ArrayList内部是数组实现，而LinkedList内部实现是双向链表结构
• 2.接口实现：ArrayList实现了RandomAccess可以支持随机元素访问，而LinkedList实现了Deque可以当做队列使用
• 3.性能：新增、删除元素时ArrayList需要使用到拷贝原数组，而LinkedList只需移动指针，查找元素 ArrayList支持随机元素访问,而LinkedList只能一个节点的去遍历

4.3 性能比较

下面通过代码去比较下ArrayList与LinkedList在性能方面的差别，代码如下

public class ListPerformance {

    private static ArrayList<String> arrayList= new ArrayList<String>();

    private static LinkedList<String> linkedList = new LinkedList<String>();

    /**
     * 插入数据
     * @param list
     * @param count
     */
    public static void insertElements(List<String> list, int count){
        Long startTime = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < count; i++) {
            list.add(String.valueOf(i));
        }
        Long endTime =  System.currentTimeMillis();
        System.out.println("insert elements use time: " +(endTime-startTime) + " ms");
    }

    /**
     * 删除元素
     * @param list
     * @param count
     */
    public static void removeElements(List<String> list, int count){
        Long startTime = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < count; i++) {
            list.remove(0);
        }
        Long endTime =  System.currentTimeMillis();
        System.out.println("remove elements use time: " +(endTime-startTime) + " ms");
    }

    /**
     * 获取元素
     * @param list
     * @param count
     */
    public static void getElements(List<String> list, int count){
        Long startTime = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < count; i++) {
            list.get(i);
        }
        Long endTime =  System.currentTimeMillis();
        System.out.println("get elements use time: " +(endTime-startTime) + " ms");
    }
    /**
     * 删除元素第二种实现
     * @param list
     * @param count
     */
    public static void removeElements2(List<String> list, int count){
        Long startTime = System.currentTimeMillis();
        for (int i = count-1; i > 0; i--) {
            list.remove(i);
        }
        Long endTime =  System.currentTimeMillis();
        System.out.println("remove elements use time: " +(endTime-startTime) + " ms");
    }
    public static void main(String[] args){
        System.out.println("arrayList test");
        insertElements(arrayList,100000);
        getElements(arrayList,100000);
        removeElements(arrayList,100000);

        System.out.println("linkedList test");
        insertElements(linkedList,100000);
        getElements(linkedList,100000);
        removeElements(linkedList,100000);


        System.out.println("arrayList test2");
        insertElements(arrayList,100000);
        getElements(arrayList,100000);
        removeElements2(arrayList,100000);

        System.out.println("linkedList test2");
        insertElements(linkedList,100000);
        getElements(linkedList,100000);
        removeElements2(linkedList,100000);
    }

结果如下图所示，可以看出

~

• 1.LinkedList下插入、删除是性能优于ArrayList，这是由于插入、删除元素时ArrayList中需要额外的开销去移动、拷贝元素(但是使用removeElements2方法所示去遍历删除是速度异常的快，这种方式的做法是从末尾开始删除，不存在移动、拷贝元素，从而速度非常快)
• 2.ArrayList在查询元素的性能上要由于LinkedList

自己动手写个LinkedList

自己动手实现一个这样的LinkedList：

 public class MyLinkList<T> implements Iterable<T> {

    private int size;
    private int modeCount = 0;
    private Node<T> beginMarker;
    private Node<T> endMarker;

    public MyLinkList() {
        doClear();
    }

    private void doClear() {
        size = 0;
        modeCount++;
        beginMarker = new Node<T>(null, null, null);
        endMarker = new Node<T>(null, beginMarker, null);
        beginMarker.next = endMarker;
    }

    public boolean add(T data) {
        Node<T> node = new Node<>(data, endMarker.prev, endMarker);
        endMarker.prev.next = node;
        endMarker.prev = node;
        modeCount++;
        size++;
        return true;
    }

    public T remove(int index) {
        Node<T> node = getNode(index);
        node.prev.next = node.next;
        node.next.prev = node.prev;
        size--;
        modeCount--;
        return node.data;
    }

    public Node<T> getNode(int index) {
        Node<T> p;
        if (index < 0 | index >= size) {
            throw new IndexOutOfBoundsException("out of index");
        }
        if (index < size / 2) {//从左边开始找
            p = beginMarker.next;
            for (int i = 0; i < index; i++) {
                p = p.next;
            }

        } else {//从右边开始找
            p = endMarker;
            for (int i = size; i > index; i--) {
                p = p.prev;
            }

        }
        return p;
    }

    public T get(int index) {

        return getNode(index).data;

    }


    @Override
    public Iterator<T> iterator() {
        return null;
    }

    @Override
    public void forEach(Consumer<? super T> action) {

    }

    @Override
    public Spliterator<T> spliterator() {
        return null;
    }

    static class Node<T> {
        private T data;
        private Node<T> prev;
        private Node<T> next;

        public Node(T data, Node<T> prev, Node<T> next) {
            this.data = data;
            this.prev = prev;
            this.next = next;
        }


    }
}

参考文章

https://www.jianshu.com/p/732b5294a985