Java集合 LinkedList的原理及使用

Posted 2022-02-25 liahon

LinkedList和ArrayList一样是集合List的实现类，虽然较之ArrayList，其使用场景并不多，但同样有用到的时候，那么接下来，我们来认识一下它。

一. 定义一个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("鹏魔王");
    tempList.add("狮驼王");
    tempList.add("猕猴王");
    tempList.add("禺贼王");
    tempList.add("美猴王");
    List<String> stringList2 = new LinkedList<>(tempList);

上面代码中采用了两种方式来定义LinkedList，可以定义一个空集合，也可以传递已有的集合，将其转化为LinkedList。我们看一下源码

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继承了AbstractSequentialList类，实现了List接口，AbstractSequentialList中已经实现了很多方法，如get(int index)、set(int index, E element)、add(int index, E element) 和 remove(int index)，这些方法是我们集合操作时使用最多的，不过这些方法在LinkedList中都已经被重写了，而抽象方法在LinkedList中有了具体实现。因此我们回到LinkedList类

LinkedList类中定义了三个变量

size：集合的长度

first：双向链表头部节点

last：双向链表尾部节点

针对first变量和last变量，我们看到是Node类的实体，这是一个静态内部类，关于静态内部类的讲解，我们在static五大应用场景一章已经有说明

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;
    

我们知道LinkedList是通过双向链表实现的，而双向链表就是通过Node类来体现的，类中通过item变量保存了当前节点的值，通过next变量指向下一个节点，通过prev变量指向上一个节点。

二. LinkedList常用方法

1. get(int index)

我们知道随机读取元素不是LinkedList所擅长的，读取效率比起ArrayList也低得多，那么我来看一下为什么

public E get(int index) 
    checkElementIndex(index);
    return node(index).item;


/**
 * 返回一个指定索引的非空节点.
 */
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;
    

从上述代码中我们可以看到get(int index)方法是通过node(int index)来实现的，它的实现机制是：

比较传入的索引参数index与集合长度size/2，如果是index小，那么从第一个顺序循环，直到找到为止；如果index大，那么从最后一个倒序循环，直到找到为止。也就是说越靠近中间的元素，调用get(int index方法遍历的次数越多，效率也就越低，而且随着集合的越来越大，get(int index)执行性能也会指数级降低。因此在使用LinkedList的时候，我们不建议使用这种方式读取数据，可以使用getFirst()，getLast()方法，将直接用到类中的first和last变量。

2. add(E e) 和 add(int index, E element)

大家都在说LinkedList插入、删除操作效率比较高，以stringList.add(“猪八戒”)为例来看到底发生了什么？

在LinkedList中我们找到add(E e)方法的源码

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


/**
 * 设置元素e为最后一个元素
*/
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++;

很好理解：

情况1：假如stringList为空，那么添加进来的node就是first，也是last，这个node的prev和next都为null;

情况2：假如stringList不为空，那么添加进来的node就是last，node的prev指向以前的最后一个元素，node的next为null；同时以前的最后一个元素的next.

而如果通过stringList.add(1, “猪八戒”)这种方式将元素添加到集合中呢？

//在指定位置添加一个元素
public void add(int index, E element) 
    checkPositionIndex(index);
    if (index == size)
        linkLast(element);
    else
        linkBefore(element, node(index));


/**
 * 在一个非空节点前插入一个元素
 */
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++;

其实从代码中看到和add(E e)的代码实现没有本质区别，都是通过新建一个Node实体，同时指定其prev和next来实现，不同点在于需要调用node(int index)通过传入的index来定位到要插入的位置，这个也是比较耗时的，参考上面的get(int index)方法。

其实看到这里，大家也都明白了。

LinkedList插入效率高是相对的，因为它省去了ArrayList插入数据可能的数组扩容和数据元素移动时所造成的开销，但数据扩容和数据元素移动却并不是时时刻刻都在发生的。

3. remove(Object o) 和 remove(int index)

这里removeFirst()和removeLast()就不多说了，会用到类中定义的first和last变量，非常简单，我们看一下remove(Object o) 和 remove(int index)源码

//删除某个对象
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;

//删除某个位置的元素
public E remove(int index) 
    checkElementIndex(index);
    return unlink(node(index));

//删除某节点，并将该节点的上一个节点（如果有）和下一个节点（如果有）关联起来
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;

其实实现都非常简单，先找到要删除的节点，remove(Object o)方法遍历整个集合，通过 == 或 equals方法进行判断；remove(int index)通过node(index)方法。

4. LinkedList遍历

我们主要列举一下三种常用的遍历方式，

普通for循环，增强for循环，Iterator迭代器

public static void main(String[] args) 
    LinkedList<Integer> list = getLinkedList();
    //通过快速随机访问遍历LinkedList
    listByNormalFor(list);
    //通过增强for循环遍历LinkedList
    listByStrengThenFor(list);
    //通过快迭代器遍历LinkedList
    listByIterator(list);


/**
 * 构建一个LinkedList集合,包含元素50000个
 * @return
 */
private static LinkedList<Integer> getLinkedList() 
    LinkedList list = new LinkedList();
    for (int i = 0; i < 50000; i++)
        list.add(i);
    
    return list;


/**
 * 通过快速随机访问遍历LinkedList
 */
private static void listByNormalFor(LinkedList<Integer> list) 
    // 记录开始时间
    long start = System.currentTimeMillis();
    int size = list.size();
    for (int i = 0; i < size; i++) 
        list.get(i);
    
    // 记录用时
    long interval = System.currentTimeMillis() - start;
    System.out.println("listByNormalFor：" + interval + " ms");


/**
 * 通过增强for循环遍历LinkedList
 * @param list
 */
public static void listByStrengThenFor(LinkedList<Integer> list)
    // 记录开始时间
    long start = System.currentTimeMillis();
    for (Integer i : list)  
    // 记录用时
    long interval = System.currentTimeMillis() - start;
    System.out.println("listByStrengThenFor：" + interval + " ms");


/**
 * 通过快迭代器遍历LinkedList
 */
private static void listByIterator(LinkedList<Integer> list) 
    // 记录开始时间
    long start = System.currentTimeMillis();
    for(Iterator iter = list.iterator(); iter.hasNext();) 
        iter.next();
    
    // 记录用时
    long interval = System.currentTimeMillis() - start;
    System.out.println("listByIterator：" + interval + " ms");

执行结果如下：

listByNormalFor：1067 ms
listByStrengThenFor：3 ms
listByIterator：2 ms

通过普通for循环随机访问的方式执行时间远远大于迭代器访问方式，这个我们可以理解，在前面的get(int index)方法中已经有过说明，那么为什么增强for循环能做到迭代器遍历差不多的效率？

通过反编译工具后得到如下代码

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");

很明显了，增强for循环遍历时也调用了迭代器Iterator，不过多了一个赋值的过程。

还有类似于pollFirst()，pollLast()取值后删除的方法也能达到部分的遍历效果。

三. 总结

本文基于java8从定义一个LinkList入手，逐步展开，从源码角度分析LinkedList双向链表的结构是如何构建的，同时针对其常用方法进行分析，包括get，add，remove以及常用的遍历方法，并简单的说明了它的插入、删除操作为何相对高效，而取值操作性能相对较低，若有不对之处，请批评指正，望共同进步，谢谢！