Java LinkedList源碼分析

mylxsw 發(fā)布于2019-08-14 15:11 / 1437人閱讀

摘要：經(jīng)常和一起被提及。本文分析的具體實(shí)現(xiàn)。其中是雙端隊(duì)列接口，所以可以當(dāng)作是棧隊(duì)列或者雙端隊(duì)隊(duì)列。注意最后一個(gè)方法，這個(gè)方法是在指定的位置插入元素。首先判斷位置是否越界，然后判斷是不是最后一個(gè)位置。

簡(jiǎn)介

LinkedList是一個(gè)常用的集合類，用于順序存儲(chǔ)元素。LinkedList經(jīng)常和ArrayList一起被提及。大部分人應(yīng)該都知道ArrayList內(nèi)部采用數(shù)組保存元素，適合用于隨機(jī)訪問比較多的場(chǎng)景，而隨機(jī)插入、刪除等操作因?yàn)橐苿?dòng)元素而比較慢。LinkedList內(nèi)部采用鏈表的形式存儲(chǔ)元素，隨機(jī)訪問比較慢，但是插入、刪除元素比較快，一般認(rèn)為時(shí)間復(fù)雜都是O(1)(需要查找元素時(shí)就不是了，下面會(huì)說(shuō)明)。本文分析LinkedList的具體實(shí)現(xiàn)。

繼承關(guān)系

public class LinkedList
extends AbstractSequentialList
implements List, Deque, Cloneable, java.io.Serializable

LinkedList繼承了一個(gè)抽象類AbstractSequentialList，這個(gè)類就是用調(diào)用ListIterator實(shí)現(xiàn)了元素的增刪查改，比如add方法：

public void add(int index, E element) {
    try {
        listIterator(index).add(element);
    } catch (NoSuchElementException exc) {
        throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index);
    }
}

不過(guò)這些方法在LinkedList中被復(fù)寫了。

LinkedList實(shí)現(xiàn)了List、Deque、Cloneable以及Serializable接口。其中Deque是雙端隊(duì)列接口，所以LinkedList可以當(dāng)作是棧、隊(duì)列或者雙端隊(duì)隊(duì)列。

內(nèi)部變量

transient int size = 0;
transient Node first;
transient Node last;

總共就三個(gè)內(nèi)部變量，size是元素個(gè)數(shù)，first是指向第一個(gè)元素的指針，last則指向最后一個(gè)。元素在內(nèi)部被封裝成Node對(duì)象，這是一個(gè)內(nèi)部類，看一下它的代碼：

private static class Node {
    E item;
    Node next;
    Node prev;
    
    Node(Node prev, E element, Node next) {
        this.item = element;
        this.next = next;
        this.prev = prev;
    }
}

可以看到這是一個(gè)雙向鏈表的結(jié)構(gòu)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)保存它的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)和后繼節(jié)點(diǎn)。

私有方法

LinkedList內(nèi)部有幾個(gè)關(guān)鍵的私有方法，它們實(shí)現(xiàn)了鏈表的插入、刪除等操作。比如在表頭插入：

private void linkFirst(E e) {
    final Node f = first;    //先保存當(dāng)前頭節(jié)點(diǎn)
    //創(chuàng)建一個(gè)新節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)值為e，前驅(qū)節(jié)點(diǎn)為空，后繼節(jié)點(diǎn)為當(dāng)前頭節(jié)點(diǎn)
    final Node newNode = new Node<>(null, e, f);
    first = newNode;    //讓first指向新節(jié)點(diǎn)
    if (f == null)    //如果鏈表原來(lái)為空，把last指向這個(gè)唯一的節(jié)點(diǎn)
        last = newNode;
    else    ·        //否則原來(lái)的頭節(jié)點(diǎn)的前驅(qū)指向新的頭節(jié)點(diǎn)
        f.prev = newNode;
    size++;
    modCount++;
}

其實(shí)就是雙向鏈表的插入操作，調(diào)整指針的指向，時(shí)間復(fù)雜度為O(1)，學(xué)過(guò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)該很容易看懂。其它還有幾個(gè)類似的方法：

//尾部插入
void linkLast(E e) {
    final Node l = last;
    final Node newNode = new Node<>(l, e, null);
    last = newNode;
    if (l == null)    //如果鏈表原來(lái)為空，讓first指向這個(gè)唯一的節(jié)點(diǎn)
        first = newNode;
    else
        l.next = newNode;
    size++;
    modCount++;
}
//中間插入
void linkBefore(E e, Node succ) {
    // assert succ != null;
    final Node pred = succ.prev;
    final Node newNode = new Node<>(pred, e, succ);
    succ.prev = newNode;
    if (pred == null)
        first = newNode;
    else
        pred.next = newNode;
    size++;
    modCount++;
}
//刪除頭節(jié)點(diǎn)
private E unlinkFirst(Node f) {
    // assert f == first && f != null;
    final E element = f.item;
    final Node next = f.next; //先保存下一個(gè)節(jié)點(diǎn)
    f.item = null;    
    f.next = null; // help GC
    first = next;    //讓first指向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)
    if (next == null)    //如果下一個(gè)節(jié)點(diǎn)為空，說(shuō)明鏈表原來(lái)只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)，現(xiàn)在成空鏈表了，要把last指向null
        last = null;
    else        //否則下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)要置為null
        next.prev = null;
    size--;
    modCount++;
    return element;
}
//刪除尾節(jié)點(diǎn)
 private E unlinkLast(Node l) {
    // assert l == last && l != null;
    final E element = l.item;
    final Node prev = l.prev;  //保存前一個(gè)節(jié)點(diǎn)
    l.item = null;
    l.prev = null; // help GC
    last = prev;    //last指向前一個(gè)節(jié)點(diǎn)
    if (prev == null)    //與頭節(jié)點(diǎn)刪除一樣，判斷是否為空
        first = null;
    else
        prev.next = null;
    size--;
    modCount++;
    return element;
}
//從鏈表中間刪除節(jié)點(diǎn)
 E unlink(Node x) {
    // assert x != null;
    final E element = x.item;
    final Node next = x.next;    //保存前驅(qū)節(jié)點(diǎn)
    final Node prev = x.prev;    //保存后繼節(jié)點(diǎn)

    if (prev == null) {    //前驅(qū)為空，說(shuō)明刪除的是頭節(jié)點(diǎn)，first要指向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)
        first = next;
    } else {                //否則前驅(qū)節(jié)點(diǎn)的后繼節(jié)點(diǎn)變?yōu)楫?dāng)前刪除節(jié)點(diǎn)的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)
        prev.next = next;
        x.prev = null;
    }

    if (next == null) {       //判斷后繼是否為空，與前驅(qū)節(jié)點(diǎn)是否為空的邏輯類似
        last = prev;
    } else {
        next.prev = prev;
        x.next = null;
    }

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

公開方法

公開的方法幾乎都是調(diào)用上面幾個(gè)方法實(shí)現(xiàn)的，例如add方法：

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

這些方法的實(shí)現(xiàn)都很簡(jiǎn)單。注意最后一個(gè)方法add(int index, E element)，這個(gè)方法是在指定的位置插入元素。首先判斷位置是否越界，然后判斷是不是最后一個(gè)位置。如果是就直接插入鏈表末尾，否則調(diào)用linkBefore(element, node(index)方法。這里在傳參數(shù)的時(shí)候又調(diào)用了node(index)，這個(gè)方法的目的是找到這個(gè)位置的節(jié)點(diǎn)對(duì)象，代碼如下：

Node node(int index) {
    // assert isElementIndex(index);
    if (index < (size >> 1)) {
        Node x = first;
        for (int i = 0; i < index; i++)
            x = x.next;
        return x;
    } else {
        Node x = last;
        for (int i = size - 1; i > index; i--)
            x = x.prev;
        return x;
    }
}

這里有個(gè)小技巧是先判斷位置是在鏈表的前半段還是后半段，然后決定從鏈表的頭還是尾去尋找節(jié)點(diǎn)。要注意的是遍歷鏈表尋找節(jié)點(diǎn)的時(shí)間復(fù)雜度是O(n),即使做了位置的判斷，最壞情況下也要遍歷鏈表中一半的元素。所以此時(shí)插入操作的時(shí)間復(fù)雜度就不是O(1),而是O(n/2)+O(1)。用于查找指定位置元素的get(int index)方法便是調(diào)用node實(shí)現(xiàn)的：

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

再看一下remove方法：

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

public boolean remove(Object o) {
    if (o == null) {
        for (Node x = first; x != null; x = x.next) {
            if (x.item == null) {
                unlink(x);
                return true;
            }
        }
    } else {
        for (Node x = first; x != null; x = x.next) {
            if (o.equals(x.item)) {
                unlink(x);
                return true;
            }
        }
    }
    return false;
}

第一個(gè)remove(int index)方法同樣要調(diào)用node(index)尋找節(jié)點(diǎn)。而第二個(gè)方法remove(Object o)是刪除指定元素，這個(gè)方法要依次遍歷節(jié)點(diǎn)進(jìn)行元素的比較，最壞情況下要比較到最后一個(gè)元素，比調(diào)用node方法更慢，時(shí)間復(fù)雜度為O(n)。另外從這個(gè)方法可以看出LinkedList的元素可以是null。

總結(jié)

LinkedList基于雙向鏈表實(shí)現(xiàn)，元素可以為null。

LinkedList插入、刪除元素比較快，如果只要調(diào)整指針的指向那么時(shí)間復(fù)雜度是O(1),但是如果針對(duì)特定位置需要遍歷時(shí)，時(shí)間復(fù)雜度是O(n)。