java集合类之LinkedList详解

Posted 2020-12-28 sxkgeek

一、LinkedList简介

由于LinkedList是一个实现了Deque的双端队列，所以LinkedList既可以当做Queue，又可以当做Stack，在将LinkedList当做Stack时，使用pop()、push()、peek()方法需要注意的是LinkedList内部是将链表头部当做栈顶，链表尾部当做栈底

LinkedList是一个双向链表，没有初始化大小，也没有扩容机制，就是一直在前面或者后面新增就好

特点：随机访问慢、插入删除速度快

二、源码分析

由于LinkedList实现了List和Deque两个接口，所以LinkedList方法分两种,一种是List接口的方法，第二种是Deque接口的方法

1、全局变量

（1）当前链表中的数据个数

 transient int size = 0;

（2）指向链表头部

 transient Node<E> first;

（3）指向链表尾部

 transient Node<E> last;

2、构造函数

（1）不带参数的构造方法

 public LinkedList() {
}

（2）带collection参数的构造方法

 public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
    this();
    addAll(c);//
}

说明：当使用第二个构造方法时，会调用addAll()方法将集合中的元素添加到链表中

3、方法

（1）LinkLast(E e)

 void linkLast(E e) {
    final Node<E> l = last;//指向链表尾部
    final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);//以尾部为前驱节点创建一个新节点
    last = newNode;//将链表尾部指向新节点
    if (l == null)//如果链表为空，那么该节点既是头节点也是尾节点
        first = newNode;
    else//链表不为空，那么将该结点作为原链表尾部的后继节点
        l.next = newNode;
    size++;//增加尺寸
    modCount++;
}

说明：LinkLast方法就是一个链表尾部添加一个双端节点的操作，但是需要注意对链表为空时头节点的处理
（2） node(ine index)（根据索引index返回node节点）

 Node<E> node(int index) {
    // assert isElementIndex(index);
    //如果索引位置靠链表前半部分，从头开始遍历
    if (index < (size >> 1)) {
        Node<E> x = first;
        for (int i = 0; i < index; i++)
            x = x.next;
        return x;
    }
    //否则，从尾开始遍历
    else {
        Node<E> x = last;
        for (int i = size - 1; i > index; i--)
            x = x.prev;
        return x;
    }}

（3）linkBefore(E e, Node< E > 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++;}

（4）linkFirst(E e)

 private void linkFirst(E e) {
    final Node<E> f = first;
    final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);//新建节点，以头节点为后继节点
    first = newNode;
    //如果链表为空，last节点也指向该节点
    if (f == null)
        last = newNode;
    //否则，将头节点的前驱指针指向新节点
    else
        f.prev = newNode;
    size++;
    modCount++;}

说明：

1. 创建newNode节点，将newNode的后继指针指向succ，前驱指针指向pred
2. 将succ的前驱指针指向newNode
3. 根据pred是否为null，进行不同操作。
   • 如果pred为null，说明该节点插入在头节点之前，要重置first头节点
   • 如果pred不为null，那么直接将pred的后继指针指向newNode即可

（5）unlink(Node< E > x)

 E unlink(Node<E> x) {
    // assert x != null;
    final E element = x.item;
    final Node<E> next = x.next;//得到后继节点
    final Node<E> prev = x.prev;//得到前驱节点
    //删除前驱指针
    if (prev == null) {
        first = next;如果删除的节点是头节点,令头节点指向该节点的后继节点
    } else {
        prev.next = next;//将前驱节点的后继节点指向后继节点
        x.prev = null;
    }
    //删除后继指针
    if (next == null) {
        last = prev;//如果删除的节点是尾节点,令尾节点指向该节点的前驱节点
    } else {
        next.prev = prev;
        x.next = null;
    }
    x.item = null;
    size--;
    modCount++;
    return element;
     }

（6）unlinkFirst(Node f)

 private E unlinkFirst(Node<E> f) {
    // assert f == first && f != null;
    final E element = f.item;
    final Node<E> next = f.next;
    f.item = null;
    f.next = null; // help GC
    first = next;
    if (next == null)
        last = null;
    else
        next.prev = null;
    size--;
    modCount++;
    return element;
    }

（7）unlinkLast(Node< E > l)

   private E unlinkLast(Node<E> l) {
    // assert l == last && l != null;
    final E element = l.item;
    final Node<E> prev = l.prev;
    l.item = null;
    l.prev = null; // help GC
    last = prev;
    if (prev == null)
        first = null;
    else
        prev.next = null;
    size--;
    modCount++;
    return element;
}

（1）List接口的添加操作

add(E e)用于将元素添加到链表尾部

 public boolean add(E e) {
    linkLast(e);
    return true;
    }

add(int index,E e)用于在指定位置添加元素

 public void add(int index, E element) {
    checkPositionIndex(index);
    if (index == size)
        linkLast(element);
    else
        linkBefore(element, node(index));
}

说明：1、检查index的范围，否则抛出异常 2、如果插入位置是链表尾部，那么调用LindLast方法 3、如果插入位置是链表中间，那么调用linkBefore方法

addAll有两个方法，一个参数的方法表示将集合元素添加到链表尾部；而两个参数的方法指定了开始插入的位置。

 //将集合插入到链表尾部，即开始索引位置为size
    public boolean addAll(Collection<? extends E> c)     {
        return addAll(size, c);
    }
    
    //将集合从指定位置开始插入
    public boolean addAll(int index, Collection< ? extends E> c) {
    //Step 1:检查index范围
    checkPositionIndex(index);
    //Step 2:得到集合的数据
    Object[] a = c.toArray();
    int numNew = a.length;
    if (numNew == 0)
        return false;
    //Step 3：得到插入位置的前驱节点和后继节点
    Node<E> pred, succ;
    //如果插入位置为尾部，前驱节点为last，后继节点为null
    if (index == size) {
        succ = null;
        pred = last;
    }
    //否则，调用node()方法得到后继节点，再得到前驱节点
    else {
        succ = node(index);
        pred = succ.prev;
    }
    //Step 4：遍历数据将数据插入
    for (Object o : a) {
        @SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) o;
        //创建新节点
        Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, null);
        //如果插入位置在链表头部
        if (pred == null)
            first = newNode;
        else
            pred.next = newNode;
        pred = newNode;
    }
    //如果插入位置在尾部，重置last节点
    if (succ == null) {
        last = pred;
    }
    //否则，将插入的链表与先前链表连接起来
    else {
        pred.next = succ;
        succ.prev = pred;
    }
    size += numNew;
    modCount++;
    return true;}

说明：1. 检查index索引范围
2. 得到集合数据
3. 得到插入位置的前驱和后继节点
4. 遍历数据，将数据插入到指定位置

（2）Deque接口的添加操作

push(E e)

    public void push(E e) {
    addFirst(e);
}

说明：push(E e)方法用于将元素添加到链表头部
addFirst(E e)

 public void addFirst(E e) {
    linkFirst(e);}

说明：addFirst(E e)方法用于将元素添加到链表头部

addLast(E e)

 public void addLast(E e) {
    linkLast(e);}

说明：addLast()方法用于将元素添加到链表尾部，与add方法实现一样，只不过return有区别

offer(E e)

 public boolean offer(E e) {
    return add(e);}

说明：此方法用于将数据添加到链表尾部，其内部调用了add(E e)方法

offerFirst(E e)

 public boolean offerFirst(E e) {
    addFirst(e);
    return true;}

说明：此方法用于将数据插入链表头部，与addFirst区别在于该方法返回特定的返回值，而addFirst返回值为void

offerLast(E e)

 public boolean offerLast(E e) {
    addLast(e);
    return true;}

说明：offerLast()与addLast()的区别和offerFirst()和addFirst()的区别一样

（3）根据位置取数据

获取任意位置的get(int index)方法

 public E get(int index) {
    //检查边界
    checkElementIndex(index);
    return node(index).item;}

说明：get(int index)方法根据指定索引返回数据，如果索引越界，那么会抛出异常

获取位置为0的头节点数据

LinkedList中有多种方法可以获得头节点的数据，实现大同小异，区别在于对链表为空时的处理，是抛出异常还是返回null

其中getFirst()和element()方法将会在链表为空时，抛出异常：

 public E getFirst() {
    final Node<E> f = first;
    if (f == null)
        throw new NoSuchElementException();
    return f.item;
 }
 
public E element() {
    return getFirst();
}

peek()和peekFirst()在链表为空时，返回null

获取位置为size-1的尾节点数据

getLast()方法在链表为空时，会抛出异常

 public E getLast() {
    final Node<E> l = last;
    if (l == null)
        throw new NoSuchElementException();
    return l.item;
    }

peekLast()方法在链表为空时，返回null

  public E peekLast() {
    final Node<E> l = last;
    return (l == null) ? null : l.item;
 }

（4）根据对象获得索引（一旦匹配，立即返回索引）

indexOf(Object o)

 //返回第一个匹配的索引
    public int indexOf(Object o) {
    int index = 0;
    if (o == null) {
        //从头往后遍历
        for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
            if (x.item == null)
                return index;
            index++;
        }
    } else {
        //从头往后遍历
        for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
            if (o.equals(x.item))
                return index;
            index++;
        }
    }
    return -1;
     }
     

lastIndexOf(Object o)

 //返回最后一个匹配的索引
    public int lastIndexOf(Object o) {
    int index = size;
    if (o == null) {
        //从后向前遍历
        for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) {
            index--;
            if (x.item == null)
                return index;
        }
    } else {
        //从后向前遍历
        for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) {
            index--;
            if (o.equals(x.item))
                return index;
        }
    }
    return -1;
     }

（5）检查链表是否包含对象

contains(Object o)

 public boolean contains(Object o) {
    return indexOf(o) != -1;
    }

说明：contains(Object o)方法检查对象o是否存在于链表中，此方法调用了IndexOf方法，只要返回结果不是-1，那就说明该对象存在于链表中

（6）删除指定对象

remove(Object o)

 public boolean remove(Object o) {
    //如果删除对象为null
    if (o == null) {
        //从前向后遍历
        for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
            //一旦匹配，调用unlink()方法和返回true
            if (x.item == null) {
                unlink(x);
                return true;
            }
        }
    } else {
        //从前向后遍历
        for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
            //一旦匹配，调用unlink()方法和返回true
            if (o.equals(x.item)) {
                unlink(x);
                return true;
            }
        }
    }
    return false;
    }

说明：当删除指定对象时，只需调用remove(Object o)即可，不过该方法一次只会删除一个匹配的对象，如果删除了匹配对象，返回true，否则false。

（7）按照位置删除对象

删除任意指定位置的对象

 public E remove(int index) {
    //检查index范围
    checkElementIndex(index);
    //将节点删除
    return unlink(node(index));
}

删除头节点的对象
remove()、removeFirst()、pop()在链表为空时将抛出NoSuchElementException

 public E remove() {
    return removeFirst();
}

public E pop() {
    return removeFirst();
}

public E removeFirst() {
    final Node<E> f = first;
    if (f == null)
        throw new NoSuchElementException();
    return unlinkFirst(f);
}

poll()、pollFirst()在链表为空时返回null

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

public E pollFirst() {
    final Node<E> f = first;
    return (f == null) ? null : unlinkFirst(f);
}

（8）删除尾节点的元素

removeLast()在链表为空将抛出NoSuchElementException

 public E removeLast() {
    final Node<E> l = last;
    if (l == null)
        throw new NoSuchElementException();
    return unlinkLast(l);
}

pollLast()方法在链表为空的时候，返回null

 public E pollLast() {
    final Node<E> l = last;
    return (l == null) ? null : unlinkLast(l);
}

（9）迭代器操作

iterator()、listIterator()、listIterator(int index)

 public Iterator<E> iterator() {
    return listIterator();
}
    
public ListIterator<E> listIterator() {
    return listIterator(0);
}
   
public ListIterator<E> listIterator(int index) {
    checkPositionIndex(index);
    return new ListItr(index);
}

4、内部类

（1）Node< E >

 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;
    }
}

说明：从Node的定义可以看出链表是一个双端链表的结构

（2）ListItr

   private class ListItr implements ListIterator<E> {
    private Node<E> lastReturned;
    private Node<E> next;
    private int nextIndex;
    private int expectedModCount = modCount;//保存当前modCount，确保fail-fast机制
    ListItr(int index) {
        // assert isPositionIndex(index);
        next = (index == size) ? null : node(index);//得到当前索引指向的next节点
        nextIndex = index;
    }
    public boolean hasNext() {
        return nextIndex < size;
    }
    //获取下一个节点
    public E next() {
        checkForComodification();
        if (!hasNext())
            throw new NoSuchElementException();
        lastReturned = next;
        next = next.next;
        nextIndex++;
        return lastReturned.item;
    }
    public boolean hasPrevious() {
        return nextIndex > 0;
    }
    //获取前一个节点，将next节点向前移
    public E previous() {
        checkForComodification();
        if (!hasPrevious())
            throw new NoSuchElementException();
        lastReturned = next = (next == null) ? last : next.prev;
        nextIndex--;
        return lastReturned.item;
    }
    public int nextIndex() {
        return nextIndex;
    }
    public int previousIndex() {
        return nextIndex - 1;
    }
    public void remove() {
        checkForComodification();
        if (lastReturned == null)
            throw new IllegalStateException();
        Node<E> lastNext = lastReturned.next;
        unlink(lastReturned);
        if (next == lastReturned)
            next = lastNext;
        else
            nextIndex--;
        lastReturned = null;
        expectedModCount++;
    }
    public void set(E e) {
        if (lastReturned == null)
            throw new IllegalStateException();
        checkForComodification();
        lastReturned.item = e;
    }
    public void add(E e) {
        checkForComodification();
        lastReturned = null;
        if (next == null)
            linkLast(e);
        else
            linkBefore(e, next);
        nextIndex++;
        expectedModCount++;
    }
    public void forEachRemaining(Consumer<? super E> action) {
        Objects.requireNonNull(action);
        while (modCount == expectedModCount && nextIndex < size) {
            action.accept(next.item);
            lastReturned = next;
            next = next.next;
            nextIndex++;
        }
        checkForComodification();
    }
    final void checkForComodification() {
        if (modCount != expectedModCount)
            throw new ConcurrentModificationException();
    }
}

三、Deque接口说明

Deque是Queue的子接口，我们知道Queue是一种队列形式，而Deque则是双向队列，它支持从两个端点方向检索和插入、删除元素

方法

当Deque当做队列使用时（先进先出FIFO），添加元素是添加到队尾，删除时删除的是头部元素，其中的方法有：

队列方法	Deque方法
add(e)	addLast(e)
offer(e)	offerLast(e)
remove()	removeFirst()
poll()	pollFirst()
element()	getFirst()
peek()	peekFirst()

Deque也能当栈用（后进先出）。这时入栈、出栈元素都是在双端队列的头部进行，其中的方法有：

栈方法	Deque方法
push(e)	addFirst(e)
oop()	removeFirst()
peek()	peekFirst()

方法详解：
void addFirst(E e);

将对象e插入到双端队列头部，容间不足时，抛出IllegalStateException异常；

void addLast(E e);

将对象e插入到双端队列尾部，容间不足时，抛出IllegalStateException异常；

boolean offerFirst(E e);

将对象e插入到双端队列头部

boolean offerLast(E e);

将对象e插入到双端队列尾部；

E removeFirst();

获取并移除队列第一个元素，队列为空，抛出NoSuchElementException异常；

E removeLast();

获取并移除队列最后一个元素，队列为空，抛出NoSuchElementException异常；

E pollFirst();

获取并移除队列第一个元素，队列为空，返回null；

E pollLast();

获取并移除队列最后一个元素，队列为空，返回null；

E getFirst();

获取队列第一个元素，但不移除，队列为空，抛出NoSuchElementException异常；

E getLast();

获取队列最后一个元素，但不移除，队列为空，抛出NoSuchElementException异常；

E peekFirst();

获取队列第一个元素，队列为空，返回null；

E peekLast();

获取队列最后一个元素，队列为空，返回null；

boolean removeFirstOccurrence(Object o);

移除第一个满足 (o==null ? e==null : o.equals(e)) 的元素

boolean removeLastOccurrence(Object o);

移除最后一个满足 (o==null ? e==null : o.equals(e)) 的元素

void push(E e);

将对象e插入到双端队列头部；

E pop();

移除并返回双端队列的第一个元素

Iterator descendingIterator();

双端队列尾部到头部的一个迭代器；

实现场景

Deque的实现类主要分为两种场景

一般场景：

• LinkedList大小可变的链表双端队列，允许元素为null
• ArrayDeque大小可变的数组双端队列，不允许null

并发场景

• LinkedBlockingDeque 如果队列为空时，获取操作将会阻塞，知道有元素添加