Java7/8集合框架——LinkedList

java.util.LinkedList

　　一、LinkedList的特点及与ArrayList的比较

　　二、LinkedList的内部实现

　　三、LinkedList添加元素

　　四、LinkedList查找元素

　　五、LinkedList删除元素

　　六、LinkedList修改元素

　　七、Java8中的改动

 

一、LinkedList的特点及与ArrayList的比较

       对比上一篇的的ArrayList介绍，LinkedList因内部实现不同，其元素的内部访问方式是不一样。LinkedList的特点大致和ArrayList的比较如下：

关注的问题点	ArrayList相关结论	LinkedList相关结论
是否允许空的元素	是	是
是否允许重复的元素	是	是
元素有序：读取数据和存放数据的顺序一致	是	是
是否线程安全	否	否
随机访问的效率	随机访问指定索引（数组的索引）的元素快	因需要进行遍历，随机访问指定索引的元素较慢，而利用双向链表的特性，可以从两端进行访问，会使得平均访问的元素减少一半
顺序添加元素的效率	在不涉及扩容时，顺序添加元素速度快； 当需要扩容时，涉及到元素的复制，相对较慢	顺序添加元素速度快，只是新建一个结点，然后添加结点链接；
删除和插入元素的效率	因涉及到复制和移动后续的元素，相对较慢	删除和插入涉及到遍历找到相关结点，因此会慢点，但是找到结点后的相关操作会比较快，因不涉及到元素的移动

 

 

二、LinkedList的内部实现

       LinkedList是以双向链表为基础实现列表的集合，内部实现结点中，有指向上一个结点prev和下一个结点next的引用，即双向链表，而E item即为实际的存储元素，如下：

    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;
        }
    }

       LinkedList内部保存了元素个数、首结点引用和尾结点引用。因此要获得LinkedList的首元素和尾元素元素也比较直接。

元素	作用
size	元素个数
first	首结点引用，即指向第一个结点的引用
last	尾结点引用，指向最后一个结点的引用

 

    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;

三、 LinkedList添加元素

　　顺序添加元素

       直接上源码：

    /**
     * Constructs an empty list.
     * 构造一个空List
     */
    public LinkedList() {
    }
    /**
     * Appends the specified element to the end of this list.
     *
     * <p>This method is equivalent to {@link #addLast}.
     *
     * @param e element to be appended to this list
     * @return {@code true} (as specified by {@link Collection#add})
     */
    public boolean add(E e) {
        linkLast(e);
        return true;
    }
    /**
     * Links e as last element.
     * 
     * 将新元素链接到最后一个元素
     */
    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++;
    }

　　这段源码其实挺好理解的，大意就是

1. 创建引用l，指向原尾元素last
2. 创建新结点newNode，该节点的prev指向保存的原尾元素引用l
3. 尾元素last指向新结点newNode
4. 若原尾元素引用l为空，说明此时刚刚添加第一个元素，之前都没有元素，first和last都为空，则首元素引用first指向新建节点newNode，此时，first、last都指向同一个元素newNode；否则，原尾元素的next指向newNode，完成新尾元素和原尾元素的连接
5. 元素个数加1，修改次数加1。完成

　　下面以这段添加元素的代码进行图示讲解

public static void main(String[] args) {
    List<String> list = new LinkedList<>();
    list.add("first");
    list.add("next");
    list.add("last");
}

 1、首先是构造空的List，此时size=0，而first和last均为null

 2、执行add("first")，实际上是执行linkLast("first")，这个是第一个元素，此时，newNode(null, "first", null)既是首元素又是尾元素，因此最后first = last = newNode(null, "first", null)，而size加1，得到1。如下图

 

 2、接下来执行add("next")，此时首元素first已存在，需要处理的是尾元素与新元素的连接，关键点是last = newNode和l.next = newNode，即新元素结点链接到原尾元素，同时把原尾元素的next链接到新节点，完成链接，如图：

　　用另外一种表示方式就是：

3、执行add("last")，过程与add("next")类似，结果如下，由此可知，顺序添加元素只需要变更尾结点，因此速度较快。而且对于元素并不会进行判断，允许空、重复的元素。

　　指定索引插入元素

1. 判断是否越界
2. 若没有越界，则再判断是否是尾元素添加，若是，直接顺序添加
3. 若不是，则先找到指定索引的元素结点（下一小节细讲），然后执行结点变更操作，和添加有点类似，这里就不细讲。

    /**
     * Inserts the specified element at the specified position in this list.
     * Shifts the element currently at that position (if any) and any
     * subsequent elements to the right (adds one to their indices).
     *
     * @param index index at which the specified element is to be inserted
     * @param element element to be inserted
     * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
     */
    public void add(int index, E element) {
        checkPositionIndex(index);

        if (index == size)
            linkLast(element);
        else
            linkBefore(element, node(index));
    }
    private void checkPositionIndex(int index) {
        if (!isPositionIndex(index))
            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
    }
    /**
     * Tells if the argument is the index of a valid position for an
     * iterator or an add operation.
     */
    private boolean isPositionIndex(int index) {
        return index >= 0 && index <= size;
    }
    /**
     * Returns the (non-null) Node at the specified element index.
     */
    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;
        }
    }
    /**
     * Inserts element e before non-null Node succ.
     */
    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++;
    }

 

 

四、LinkedList查找元素

　　根据指定索引查找元素 

    /**
     * Returns the element at the specified position in this list.
     *
     * @param index index of the element to return
     * @return the element at the specified position in this list
     * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
     */
    public E get(int index) {
        checkElementIndex(index);
        return node(index).item;
    }
    /**
     * Returns the (non-null) Node at the specified element index.
     */
    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;
        }
    }

 

　　这里使用了双向链表的特性，可以向前或者向后顺序查找，即判断索引落在前半部分(index < (size >> 1))，向后索引，落在后半部分，向前索引，这就能保证最多只要遍历一半，提高效率。

 

五、LinkedList删除元素

　　 和ArrayList类似，删除元素也有2种

1. 指定索引删除
2. 指定元素删除

　　指定元素删除索引，是顺序进行判断找到相应的元素的，因此效率不高，从这里也可以看到，元素可以为null，因为null（使用==）和实际元素（使用equals）的对等判断是不一样的方法；指定索引也是需要找到元素，如上一小节所述，然后再删除元素。

    /**
     * Removes the first occurrence of the specified element from this list,
     * if it is present.  If this list does not contain the element, it is
     * unchanged.  More formally, removes the element with the lowest index
     * {@code i} such that
     * <tt>(o==null&nbsp;?&nbsp;get(i)==null&nbsp;:&nbsp;o.equals(get(i)))</tt>
     * (if such an element exists).  Returns {@code true} if this list
     * contained the specified element (or equivalently, if this list
     * changed as a result of the call).
     *
     * @param o element to be removed from this list, if present
     * @return {@code true} if this list contained the specified element
     */
    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;
    }
    /**
     * Unlinks non-null node x.
     */
    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;

        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;
    }

 

  

    /**
     * Removes the element at the specified position in this list.  Shifts any
     * subsequent elements to the left (subtracts one from their indices).
     * Returns the element that was removed from the list.
     *
     * @param index the index of the element to be removed
     * @return the element previously at the specified position
     * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
     */
    public E remove(int index) {
        checkElementIndex(index);
        return unlink(node(index));
    }

 

 　　从实现来看，最后删除元素都是直接调用了unlink(Node n)。这里大致讲一下。说白了，就是结点引用的变更，一个图就可以说明，如下。

1. prev.next = next;表示上一个元素的next指向本结点的next实际元素，即跳过本结点链接到下一个结点，如左边的红箭头
2. next.prev = prev;表示下一个元素的prev指向本结点的prev实际元素，即跳过本结点链接到上一个结点，如右边的红箭头。

这样便完成了链接的变更。当然这里还考虑了该元素是否是首元素（首元素first下移一格为next）、是否是尾元素（尾元素last上移一格为prev）。

 

首元素的情况：

尾元素的情况类似，不再赘述。

  

六、LinkedList修改元素

 　　可以到，这里也是引用了node(index)，要顺序找到相应的元素，所以比较慢，但是一旦找到元素，就只会变更相关结点信息，这部分操作还是比较快的。

    /**
     * Replaces the element at the specified position in this list with the
     * specified element.
     *
     * @param index index of the element to replace
     * @param element element to be stored at the specified position
     * @return the element previously at the specified position
     * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
     */
    public E set(int index, E element) {
        checkElementIndex(index);
        Node<E> x = node(index);
        E oldVal = x.item;
        x.item = element;
        return oldVal;
    }

 

七、Java8中的改动

　　本文中介绍的相关方法，在Java8没有任何的改动。

以上便是LinkedList的简单说明。