【图灵干货】java高级教程第二十节:LinkedList源码解析

发布时间:2021-12-01 11:28:42

  # 第一章 LinkedList介绍

  ## 1.1 引导语

  LinkedList 集合底层是一个双向链表结构,具有增删快,查询慢的忒点,内部包含大量操作首尾元素的方法。适用于集合元素先入先出和先入后出的场景,在队列源码中被频繁使用。

  ## 1.2 整体架构

  LinkedList 底层数据结构是一个双向链表,整体结构如下图所示:

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  上图代表了一个双向链表结构,可以通过前面的节点找到后面的节点,也可以通过后面的节点找到前面的节点

  相关概念:

  - Node: 代表链中的每个节,Node 的 prev 属性,代表前一个节点的地址,Node 的next 属性,代表后一个节点的地址;

  - first :代表双向链表的头节点,它的前一个节点是 null。

  - last: 代表双向链表的尾节点,它的后一个节点是 null;

  - 如果链表中没有任何数据时,头节点first 和 尾节点last 是同一个节点,前后指向都是 null;

  - 因为LinkedList集合是个双向链表,所以机器只要有足够强大的内存,对于LinkedList集合而言是没有大小限制的。

  链表中的元素被称为Node, Node被定义成私有静态内部类,内容如下 :

  ```java

  private static class Node {

  E item;// 节点中存储的数据

  Node next; // 下一个节点的地址

  Node prev; // 前一个节点的地址

  // 构造方法初始化参数顺序分别是:前一个节点的地址值、当前节点中存储的数据、后一个节点的地址值

  Node(Node prev, E element, Node next) {

  this.item = element;

  this.next = next;

  this.prev = prev;

  }

  }

  ```

  # 第二章 LinkedList 源码解析

  ### 2.1 添加(新增)节点

  如果想在LinkedList集合中添加节点,我们把新加入的节点添加到链表头部,也可以把新加入的节点添加添加到链表尾部,add 方法默认是从尾部开始添加,addFirst 方法是从头部开始添加,下面分别来看下两种不同的添加方式:

  **从尾部添加(add)**

  ```java

  // 从尾部开始添加节点

  void linkLast(E e) {

  // 把尾节点数据暂存

  final Node l = last;

  // 新建新的节点,初始化入参含义:

  // l 是新节点的前一个节点,当前值是尾节点值

  // e 表示当前新增节点,当前新增节点后一个节点是 null

  final Node newNode = new Node<>(l, e, null);

  // 新建节点添加到尾部

  last = newNode;

  //如果链表为空(l 是尾节点,尾节点为空,链表即空),头部和尾部是同一个节点,都是新建的节点

  if (l == null)

  first = newNode;

  //否则把前尾节点的下一个节点,指向当前尾节点。

  else

  l.next = newNode;

  size++;//集合元素数量增加1

  modCount++;//实际修改次数增加1

  }

  ```

  从源码上来看,尾部添加节点比较简单.

  **从头部添加(addFirst)**

  ```java

  // 从头部添加

  private void linkFirst(E e) {

  // 头节点赋值给临时变量

  final Node f = first;

  // 新建节点,前一个节点指向null,e 是新建节点,f 是新建节点的下一个节点,目前值是头节点的值

  final Node newNode = new Node<>(null, e, f);

  // 新建节点成为头节点

  first = newNode;

  // 头节点为空,就是链表为空,头尾节点是一个节点

  if (f == null)

  last = newNode;

  //上一个头节点的前一个节点指向当前节点

  else

  f.prev = newNode;

  size++;

  modCount++;

  }

  ```

  头部添加节点和尾部添加节点非常类似,只是前者是移动头节点的 prev 指向,后者是移动尾节点的 next 指向。

  ### 2.2 删除节点

  节点删除的方式和添加类似,我们可以选择从头部删除,也可以选择从尾部删除,删除操作会把节点的值,前后指向节点都置为 null,帮助 GC 进行回收。

  **从头部删除**

  ```java

  //从头删除节点 f 是链表头节点

  private E unlinkFirst(Node f) {

  // 拿出头节点的值,作为方法的返回值

  final E element = f.item;

  // 拿出头节点的下一个节点

  final Node next = f.next;

  //帮助 GC 回收头节点

  f.item = null;

  f.next = null;

  // 头节点的下一个节点成为头节点

  first = next;

  //如果 next 为空,表明链表为空

  if (next == null)

  last = null;

  //链表不为空,头节点的前一个节点指向 null

  else

  next.prev = null;

  //修改链表大小和版本

  size--;

  modCount++;

  return element;

  }

  ```

  从尾部删除节点的代码也是类似的,这里就不再详细解释了。

  **从源码中我们可以了解到,链表结构的节点新增、删除都非常简单,仅仅把前后节点的指向修改下就好了,所以 LinkedList 新增和删除速度很快。**

  ### 2.3 查询节点

  在链表查询某一个节点是比较慢的,因为需要挨个循环查找才行,我们看看 LinkedList 的源码是如何寻找节点的:

  ```java

  // 根据链表索引位置查询节点

  Node node(int index) {

  // 如果 index 处于队列的前半部分,从头开始找,size >> 1 是 size 除以 2 的意思。

  if (index < (size >> 1)) {

  Node x = first;

  // 直到 for 循环到 index 的前一个 node 停止

  for (int i = 0; i < index; i++)

  x = x.next;

  return x;

  } else {// 如果 index 处于队列的后半部分,从尾开始找

  Node x = last;

  // 直到 for 循环到 index 的后一个 node 停止

  for (int i = size - 1; i > index; i--)

  x = x.prev;

  return x;

  }

  }

  ```

  从源码中我们可以发现,LinkedList 并没有采用从头循环到尾的做法,而是采取了简单二分法,首先看看 index 是在链表的前半部分,还是后半部分。如果是前半部分,就从头开始寻找,反之亦然。通过这种方式,使循环的次数至少降低了一半,提高了查找的性能,这种思想值得我们借鉴。

  ### 2.4 迭代器

  因为 LinkedList 要实现双向的迭代访问,所以我们使用 Iterator 接口肯定不行了,因为 Iterator 只支持从头到尾的访问。Java 新增了一个迭代接口,叫做:ListIterator,这个接口提供了向前和向后的迭代方法,如下所示:

  | 迭代顺序 | 方法 |

  | ---------------- | ------------------------------------ |

  | 从尾到头迭代方法 | hasPrevious、previous、previousIndex |

  | 从头到尾迭代方法 | hasNext、next、nextIndex |

  LinkedList 实现了 ListIterator 接口,如下图所示:

  ```java

  // 双向迭代器

  private class ListItr implements ListIterator {

  private Node lastReturned;//上一次执行 next() 或者 previos() 方法时的节点位置

  private Node next;//下一个节点

  private int nextIndex;//下一个节点的位置

  //expectedModCount:期望版本号;modCount:目前最新版本号

  private int expectedModCount = modCount;

  …………

  }

  ```

  我们先来看下从头到尾方向的迭代:

  ```java

  // 判断还有没有下一个元素

  public boolean hasNext() {

  return nextIndex < size;// 下一个节点的索引小于链表的大小,就有

  }

  // 取下一个元素

  public E next() {

  //检查期望版本号有无发生变化

  checkForComodification();

  if (!hasNext())//再次检查

  throw new NoSuchElementException();

  // next 是当前节点,在上一次执行 next() 方法时被赋值的。

  // 第一次执行时,是在初始化迭代器的时候,next 被赋值的

  lastReturned = next;

  // next 是下一个节点了,为下次迭代做准备

  next = next.next;

  nextIndex++;

  return lastReturned.item;

  }

  ```

  上述源码的思路就是直接取当前节点的下一个节点,而从尾到头迭代稍微复杂一点,如下:

  ```java

  // 如果上次节点索引位置大于 0,就还有节点可以迭代

  public boolean hasPrevious() {

  return nextIndex > 0;

  }

  // 取前一个节点

  public E previous() {

  checkForComodification();

  if (!hasPrevious())

  throw new NoSuchElementException();

  // next 为空场景:1:说明是第一次迭代,取尾节点(last);2:上一次操作把尾节点删除掉了

  // next 不为空场景:说明已经发生过迭代了,直接取前一个节点即可(next.prev)

  lastReturned = next = (next == null) ? last : next.prev;

  // 索引位置变化

  nextIndex--;

  return lastReturned.item;

  }

  ```

  这里复杂点体现在需要判断 next 不为空和为空的场景,代码注释中有详细的描述。

  **迭代器删除**

  LinkedList 在删除元素时,也推荐通过迭代器进行删除,删除过程如下:

  ```java

  public void remove() {

  checkForComodification();

  // lastReturned 是本次迭代需要删除的值,分以下空和非空两种情况:

  // lastReturned 为空,说明调用者没有主动执行过 next() 或者 previos(),直接报错

  // lastReturned 不为空,是在上次执行 next() 或者 previos()方法时赋的值

  if (lastReturned == null)

  throw new IllegalStateException();

  Node lastNext = lastReturned.next;

  //删除当前节点

  unlink(lastReturned);

  // next == lastReturned 的场景分析:从尾到头递归顺序,并且是第一次迭代,并且要删除最后一个元素的情况下

  // 这种情况下,previous() 方法里面设置了 lastReturned = next = last,所以 next 和 lastReturned会相等

  if (next == lastReturned)

  // 这时候 lastReturned 是尾节点,lastNext 是 null,所以 next 也是 null,这样在 previous() 执行时,发现 next 是 null,就会把尾节点赋值给 next

  next = lastNext;

  else

  nextIndex--;

  lastReturned = null;

  expectedModCount++;

  }

  ```

  ## 总结

  LinkedList 适用于要求有顺序、并且会按照顺序进行迭代的场景,主要是依赖于底层的链表结构,在面试中的频率还是蛮高的,相信理清楚上面的源码后,应对面试应该没有问题。

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