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Java集合类库 LinkedList 源码解析

来源:互联网 作者:佚名 时间:2016-07-17 21:14
基于JDK 1.7,和ArrayList进行比较分析 Java已经有了ArrayList,用来存放元素,对元素的操作都很方便。为什么还会有LinkedList呢?我们都知道ArrayList获取元素很快,但是插入一个元素很慢,因为ArrayList底层维护的是一个数组,往数组中的某个位置插入一个

基于JDK 1.7,和ArrayList进行比较分析

Java已经有了ArrayList,用来存放元素,对元素的操作都很方便。为什么还会有LinkedList呢?我们都知道ArrayList获取元素很快,但是插入一个元素很慢,因为ArrayList底层维护的是一个数组,往数组中的某个位置插入一个元素,是很消耗资源的。

而LinkedList插入元素很快,获取任意位置的元素却很慢。这是为什么呢?底层又是怎样实现的呢?

1.继承关系

LinkedList的继承关系图:

这里写图片描述

LinkedList继承的是AbstractSequentialList抽象类,而ArrayList继承的是AbstractList抽象类,也就是AbstractSequentialList类的上一层。

那么我们就去看看AbstractSequentialList抽象类到底做了哪些操作:

这里写图片描述

发现这个类其实很简单,一个无参的构造方法和7个方法,其实每个方法的实现都很简单,简单描述一下原理:通过迭代器来对列表进行增删改查。首先得到ListIterator,ListIterator的next()方法得到当前元素,set()方法修改元素,remove()方法删除元素。

// 这是set()方法的实现
public E set(int index, E element) {
      try {
          ListIterator<E> e = listIterator(index);
          E oldVal = e.next();
          e.set(element);
          return oldVal;
      } catch (NoSuchElementException exc) {
          throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index);
      }
  }

2.实现接口

我们意外的发现LinkedList实现了Deque< E >接口,这个接口是用来干嘛的?从字面上的意思分析deque是双向队列的意思,拿到Deque< E >里面是队列的缺省方法,马上去追踪一下。

public interface Deque<E> extends Queue<E> {

马上明白了,Deque< E >继承自Queue< E >,那Queue肯定是队列了,不信就进去看一看。

public interface Queue<E> extends Collection<E> {

这里写图片描述

Queue< E >继承Collection接口,并添加特有方法,介绍一些这几个方法。

add(E e) – 将指定的元素插入此队列(如果立即可行且不会违反容量限制),在成功时返回 true,如果当前没有可用的空间,则抛出 IllegalStateException。

offer(E e) – 将指定的元素插入此队列(如果立即可行且不会违反容量限制),当使用有容量限制的队列时,此方法通常要优于 add(E e),后者可能无法插入元素,而只是抛出一个异常。

remove() – 获取并移除此队列的头。

poll() – 获取并移除此队列的头,如果此队列为空,则返回 null。

element() – 获取但是不移除此队列的头。

peek() – 获取但不移除此队列的头,如果此队列为空,则返回 null。

3.LinkedList的介绍

LinkedList是一个链接列表,实现List所有可选的列表操作,并且允许操作所有元素(包括 null)。除了实现 List 接口外,LinkedList 类还为在列表的开头及结尾 get、remove 和 insert 元素提供了统一的命名方法。这些操作允许将链接列表用作堆栈、队列或双端队列。

由于LinkedList实现 Deque 接口,为 add、poll 提供先进先出队列操作,以及其他堆栈和双端队列操作。

所有操作都是按照双重链接列表的需要执行的。在列表中编索引的操作将从开头或结尾遍历列表(从靠近指定索引的一端)。

注意:LinkedList是线程不同步的。

在数据结构中,我们都知道有链表这种数据类型,典型的先进先出操作FIFO,像火车进站一样,先进的先出来。链表也分单向链表和双向链表,又分循环链表和非循环链表。只要明白了链表的实现原理,LinkedList是怎样实现的就一目了然了。

首先看一下最简单的单向链表的实现

这里写图片描述

元素n1指向n2,n2指向n3,如果有无穷多个元素,就这样一直循环下去。

package com.zhou.collection_11;

public class SingleLinkedListDemo {

    public static void main(String[] args) {
        Node n1 = new Node("n1");
        Node n2 = new Node("n2");
        Node n3 = new Node("n3");
        // 构造一个单向链表
        n1.next = n2;
        n2.next = n3;
        System.out.println(n1);

        // 插入一个元素 n4,放在 n1 和 n2 之间
        Node n4 = new Node("n4");
        n1.next = n4;
        n4.next = n2;
        System.out.println(n1);

        // 删除元素 n2
        n4.next = n3;
        System.out.println(n1);
    }

}

class Node {

    public String data; // 存放的元素
    public Node next;   // 指向下一个节点的引用

    public Node(String data) {
        super();
        this.data = data;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Node [data=" + data + ", next=" + next + "]";
    }

}

控制台输出结果:

这里写图片描述

这就是单向链表,至于循环链表,就是把最后一个元素指向第一个元素,下面我们再来看下双向循环链表的实现。

双向循环链表的实现

这里写图片描述

package com.zhou.collection_11;

public class DoubleLoopLinkedListDemo {

    public static void main(String[] args) {
        Node1 n1 = new Node1("n1");
        Node1 n2 = new Node1("n2");
        Node1 n3 = new Node1("n3");
        // 构造一个双向循环链表
        n1.next = n2;
        n1.previous = n3;

        n2.next = n3;
        n2.previous = n1;

        n3.next = n1;
        n3.previous = n2;

        // 插入一个元素 n4,放在 n1 和 n2 之间
        Node1 n4 = new Node1("n4");
        n1.next = n4;
        n4.previous = n1;
        n4.next = n2;
        n2.previous = n4;

        // 删除元素 n2
        n4.next = n3;
        n3.previous = n4;
        n2.next = null;
        n2.previous = null;
    }

}

class Node1 {

    public Node1 previous; // 指向前一个节点,前驱
    public Node1 next;     // 指向下一个节点,后继
    public String data;    // 存放数据

    public Node1(String data) {
        super();
        this.data = data;
    }

}

这就是双向循环链表的实现,我们不能通过复写toString()方法来把所以元素打印出来,因为链表本身是一个死循环。既然我们明白的链表的实现原理,那么LinkedList是否也是类似,去追踪一下LinkedList实现源码。

4.源码实现分析

全局变量

     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;

其中的size肯定就是LinkedList的大小,first就是指向第一个元素,last就是指向最后一个元素。在来看下Node< E >这个类的实现。

  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;
        }
    }

它是一个私有的内部类,里面就是一个泛型类型的变量item,指向前一个元素的变量prev,指向后一个元素的变量next。其中泛型item就是我们向LinkedList中添加的元素,然后Node又构造好了向前与向后的引用prev,next,最后将生成的这个Node对象加入到了链表当中。这跟我们前面实现的双向链表循环链表是一样的结构,换句话说,LinkedList中所维护的是一个个的Node对象。

构造方法

    /**
     * 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);
    }

只有2个构造方法,一个无参的空实现,一个是传入集合来构造有大小的LinkedList,调用的addAll()方法,我们来看下这个方法的实现。

    public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
       return addAll(size, c);
    }

    public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
        checkPositionIndex(index);

        Object[] a = c.toArray();
        int numNew = a.length;
        if (numNew == 0)
            return false;

        Node<E> pred, succ;
        if (index == size) {
            succ = null;
            pred = last;
        } else {
            succ = node(index);
            pred = succ.prev;
        }

        for (Object o : a) {
            @SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) o;
            Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, null);
            if (pred == null)
                first = newNode;
            else
                pred.next = newNode;
            pred = newNode;
        }

        if (succ == null) {
            last = pred;
        } else {
            pred.next = succ;
            succ.prev = pred;
        }

        size += numNew;
        modCount++;
        return true;
    }

其实最终调用的是addAll(int index, Collection< ? extends E > c)方法,初始化的时候size为0,所以index是0。

checkPositionIndex(index);

private void checkPositionIndex(int index) {
        if (!isPositionIndex(index))
            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
    }

 private boolean isPositionIndex(int index) {
        return index >= 0 && index <= size;
    }

首先通过checkPositionIndex()方法进行范围检查,大小超出范围抛出IndexOutOfBoundsException异常。

    Object[] a = c.toArray();
    int numNew = a.length;
    if (numNew == 0)
        return false;

接下来将传入的集合转化为数组,如果大小为0,就直接返回。也就是如果传入的集合大小为0,也是构造一个空的LinkedList。

        Node<E> pred, succ;
        if (index == size) {
            succ = null;
            pred = last;
        } else {
            succ = node(index);
            pred = succ.prev;
        }

初始化的size为0,传入的index也为0,变量last为null,所以走第一个判断条件,succ为null,pred也为null。

        for (Object o : a) {
            @SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) o;
            Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, null);
            if (pred == null)
                first = newNode;
            else
                pred.next = newNode;
            pred = newNode;
        }

这段代码就是构造了整个linkedList的元素,first指向第一个元素,pred指向最后一个元素。

        if (succ == null) {
            last = pred;
        } else {
            pred.next = succ;
            succ.prev = pred;
        }

        size += numNew;
        modCount++;
        return true;

由于succ为null,把pred赋值给last,所以last也指向最后一个元素,再更改列表的大小。

添加/增加元素

添加元素主要就是add()方法和addAll()方法,在加上addFirst()和addLast()方法,下面我们就来看一下实现代码。

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

  public void add(int index, E element) {
        checkPositionIndex(index);

        if (index == size)
            linkLast(element);
        else
            linkBefore(element, node(index));
    }

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

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

分析上面代码,主要就是linkLast()、linkBefore()、linkFirst()这几个方法来实现添加元素的。

    // 在链表的头部添加一个元素
    private void linkFirst(E e) {
        final Node<E> f = first;
        // 构造一个前驱为null,后继为f的Node对象
        final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
        // 第一个元素指向刚刚构造出来的对象
        first = newNode;
        // 如果这个链表是空的,则第一个元素也是最后一个元素
        // 否则把以前的前驱指向刚刚构造出的元素
        if (f == null)
            last = newNode;
        else
            f.prev = newNode;
        // 列表大小+1
        size++;
        modCount++;
    }

同理,其他的添加方法都是类似的,linkFirst()每次在头部添加元素,linkLast()每次在尾部添加元素,linkBefore()在任意位置添加元素。所以我们每次调用add(E e),都是在最后添加一个元素。这个其中有一个很重要的方法 Node< E > node(int index),返回指定位置的元素。

    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;
        }
    }

判断指定位置的和列表大小一半的大小,如果index小于size/2,把列表第一个元素提取出来赋值给x,如果需要的不是第一个元素,循环遍历它的后继元素,找到最终的x。

如果index大于size/2,取出最后一个元素赋值给x,如果需要的不是最后一个元素,循环遍历它的前驱元素,找到最终的x。

可想而知,这个方法应该是贯穿整个LinkedList的方法。增删改查肯定都需要调用到。

查找元素

主要的查询方法有:getFirst()、getLast()、get()

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

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

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

查询方法很简单,对于getFirst()、getLast()来说,直接返回头元素和尾元素的数据,如果为空则抛出一个NoSuchElementException异常。

get()方法则直接调用了node()方法,所以它查询元素的效率高的原因我们也就知道了。

修改元素

可以说List集合都是通过set()方法来修改元素的。

  public E set(int index, E element) {
        checkElementIndex(index);
        Node<E> x = node(index);
        E oldVal = x.item;
        x.item = element;
        return oldVal;
    }

就是通过node()方法找到指定位置的元素,修改其中的item。

删除元素

是通过remove()、remove(Object o)、remove(int index)方法来删除元素的。

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

    public E remove(int index) {
        checkElementIndex(index);
        return unlink(node(index));
    }

    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;
    }

通过代码发现删除主要调用的还是E unlink(Node< E > x)方法,下面我们来看下unlink()的实现。

    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;
    }

如果传入的元素x为第一个元素的话,则说明要删除的是第一个元素,则把x的后继后继赋值给first,x的后继就指向null,x的前驱也指向null,x后继的前驱指向前驱(null),这样就把x删除了。

如果传入的元素x为最后一个元素的话,则说明要删除的是最后一个元素,则把x的前驱赋值给last,x的后继就指向null,x的前驱也指向null,x前驱的后继指向后继(null),这样就把x删除了。

如果删除非头尾元素,则把x的后继就指向null,x的前驱也指向null,x前驱的后继指向后继,x后继的前驱指向前驱,这样就把x删除了。

可能有点绕口,语言表达能力有限,需要自己体会一下。

这里写图片描述

Node< E > node(int index)

其实LinkedList的主要操作都在这个几个方法中,已经分析了几个主要的方法,其他的实现都很简单,跟我们上面双向循环链表的Demo都很相似,只是它属于双向链表,不是循环的而已。它们大部分都是私有的,外部不可调用,直接操作Node对象里面的数据的。下面这是几个方法的实现,可以看下:

    private void linkFirst(E e) {
        final Node<E> f = first;
        final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
        first = newNode;
        if (f == null)
            last = newNode;
        else
            f.prev = newNode;
        size++;
        modCount++;
    }

    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++;
    }

    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++;
    }

    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;
    }

    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;
    }

5.其他方法的分析

这里写图片描述

通过源码,你会发现,这些方法的实现,都是通过上面讲的一个first变量、一个last变量,加上上面的几个重要的操作Node数据的方法,这些变量和方法来实现的。例如peek()方法,判断first是否为null,是返回null,不是返回first.item对象。

    public E peek() {
        final Node<E> f = first;
        return (f == null) ? null : f.item;
    }

我们来看下clear()和toArray()方法。

    public void clear() {
        // Clearing all of the links between nodes is "unnecessary", but:
        // - helps a generational GC if the discarded nodes inhabit
        //   more than one generation
        // - is sure to free memory even if there is a reachable Iterator
        for (Node<E> x = first; x != null; ) {
            Node<E> next = x.next;
            x.item = null;
            x.next = null;
            x.prev = null;
            x = next;
        }
        first = last = null;
        size = 0;
        modCount++;
    }

这是一个所以变量置空的操作,这样可以被gc回收,很有代表性。我们以后写的代码,当销毁对象时,也要有这样的清除操作。循环置空,避免内存泄漏。

    public Object[] toArray() {
        Object[] result = new Object[size];
        int i = 0;
        for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next)
            result[i++] = x.item;
        return result;
    }

LinkedList的toArray()方法和ArrayList的不一样哦~原来构造出一个数组,把元素一个一个的添加进去,没有用到Arrays类的方法。

6.和ArrayList的比较分析

1.ArrayList底层是采用数组实现的,而LinkedList底层采用双向链表实现的。

2.当执行插入或者删除操作时,采用LinkedList比较好。

3.当执行搜索操作时,采用ArrayList比较好。

4.对于ArrayList的删除元素操作,需要将删除元素的后续元素,整体向前移动,所以代价比较高。

5.集合中只能放置对象的引用,无法放置原生的数据类型。我们需要使用原生数据类型的包装类才能加到集合中去。集合中放置的对象都是Object类型的,因此取出来的也都是Object类型的,那么必须使用强制类型转化将其转化为真正的类型。

每个人的见解和分析都有可能不同,强烈建议自己可以在看下源码,然后我们交流讨论。

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