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LinkedList 基本示例及源码解析

程序员文章站 2022-03-06 21:38:22
/Users/mr.l/Downloads/Unsplash/二维码.png ......

一、javadoc 简介

  1. linkedlist双向链表,实现了list的 双向队列接口,实现了所有list可选择性操作,允许存储任何元素(包括null值)
  2. 所有的操作都可以表现为双向性的,遍历的时候会从首部到尾部进行遍历,直到找到最近的元素位置
  3. 注意这个实现不是线程安全的, 如果多个线程并发访问链表,并且至少其中的一个线程修改了链表的结构,那么这个链表必须进行外部加锁。(结构化的操作指的是任何添加或者删除至少一个元素的操作,仅仅对已有元素的值进行修改不是结构化的操作)。
  4. list list = collections.synchronizedlist(new linkedlist(…)),可以用这种链表做同步访问,但是最好在创建的时间就这样做,避免意外的非同步对链表的访问
  5. 迭代器返回的iterators 和 listiterator方法会造成fail-fast机制:如果链表在生成迭代器之后被结构化的修改了,除了使用iterator独有的remove方法外,都会抛出并发修改的异常。因此,在面对并发修改的时候,这个迭代器能够快速失败,从而避免非确定性的问题

二、linkedlist 继承接口和实现类介绍

java.util.linkedlist 继承了 abstractsequentiallist 并实现了list , deque , cloneable 接口,以及serializable 接口

public class linkedlist<e>
    extends abstractsequentiallist<e>
    implements list<e>, deque<e>, cloneable, java.io.serializable {}

类之间的继承体系如下:

LinkedList 基本示例及源码解析

下面就对继承树中的部分节点进行大致介绍:

abstractsequentiallist 介绍:
这个接口是list一系列子类接口的核心接口,以求最大限度的减少实现此接口的工作量,由顺序访问数据存储(例如链接链表)支持。对于随机访问的数据(像是数组),abstractlist 应该优先被使用这个接口可以说是与abstractlist类相反的,它实现了随机访问方法,提供了get(int index),set(int index,e element), add(int index,e element) and remove(int index)方法

对于程序员来说:

要实现一个列表,程序员只需要扩展这个类并且提供listiterator 和 size方法即可。
对于不可修改的列表来说, 程序员需要实现列表迭代器的 hasnext(), next(), hasprevious(),
previous 和 index 方法

abstractlist 介绍:

这个接口也是list继承类层次的核心接口,以求最大限度的减少实现此接口的工作量,由顺序访问
数据存储(例如链接链表)支持。对于顺序访问的数据(像是链表),abstractsequentiallist 应该优先被使用,
如果需要实现不可修改的list,程序员需要扩展这个类,list需要实现get(int) 方法和list.size()方法
如果需要实现可修改的list,程序员必须额外重写set(int,object) set(int,e)方法(否则会抛出
unsupportedoperationexception的异常),如果list是可变大小的,程序员必须额外重写add(int,object) , add(int, e) and remove(int) 方法

abstractcollection 介绍:

这个接口是collection接口的一个核心实现,尽量减少实现此接口所需的工作量
为了实现不可修改的collection,程序员应该继承这个类并提供呢iterator和size 方法
为了实现可修改的collection,程序团需要额外重写类的add方法,iterator方法返回的iterator迭代器也必须实现remove方法

三、linkedlist 基本方法介绍

上面看完了linkedlist 的继承体系之后,来看看linkedlist的基本方法说明

添加
    add():
    ----> 1. add(e e) :  直接在'末尾'处添加元素
  ----> 2. add(int index,e element) : 在'指定索引处添'加元素
  ----> 3. addall(collections<? extends e> c) : 在'末尾'处添加一个collection集合
  ----> 4. addall(int index,collections<? extends e> c):在'指定位置'添加一个collection集合
  ----> 5. addfirst(e e): 在'头部'添加指定元素
  ----> 6. addlast(e e): 在'尾部'添加指定元素
  
  offer():
  ----> 1. offer(e e): 在链表'末尾'添加元素
  ----> 2. offerfirst(e e): 在'链表头'添加指定元素
  ----> 3. offerlast(e e): 在'链表尾'添加指定元素
  
  push(e e): 在'头部'压入元素
  
移除
  
  poll():
  ----> 1. poll(): 访问并移除'首部'元素
  ----> 2. pollfirst(): 访问并移除'首部'元素
  ----> 3. polllast(): 访问并移除'尾部'元素
  
  pop(): 从列表代表的堆栈中弹出元素,从'头部'弹出
  
  remove(): 
  ----> 1. remove(): 移除并返回'首部'元素
  ----> 2. remove(int index) : 移除'指定索引'处的元素
  ----> 3. remove(object o): 移除指定元素
  ----> 4. removefirst(): 移除并返回'第一个'元素
  ----> 5. removefirstoccurrence(object o): 从头到尾遍历,移除'第一次'出现的元素
  ----> 6. removelast(): 移除并返回'最后一个'元素
  ----> 7. removelastoccurrence(object o): 从头到尾遍历,移除'最后一次'出现的元素
  
  clear(): 清空所有元素
  
访问

    peek(): 
  ----> 1. peek(): 只访问,不移除'首部'元素
  ----> 2. peekfirst(): 只访问,不移除'首部'元素,如果链表不包含任何元素,则返回null
  ----> 3. peeklast(): 只访问,不移除'尾部'元素,如果链表不包含任何元素,返回null
  
  element(): 只访问,不移除'头部'元素
    
  get():
  ----> 1. get(int index): 返回'指定索引'处的元素
  ----> 2. getfirst(): 返回'第一个'元素
  ----> 3. getlast(): 返回'最后一个'元素

  indexof(object o): 检索某个元素'第一次'出现所在的位置
  lastindexof(object o): 检索某个元素'最后一次'出现的位置
  
 其他
 
    clone() : 返回一个链表的拷贝,返回值为object 类型
  contains(object o): 判断链表是否包含某个元素
  descendingiterator(): 返回一个迭代器,里面的元素是倒叙返回的
  listiterator(int index) : 在指定索引处创建一个'双向遍历迭代器'
    set(int index, e element): 替换某个位置处的元素
  size() : 返回链表的长度
  spliterator(): 创建一个后期绑定并快速失败的元素
  toarray(): 将链表转变为数组返回
  
  
    

四、linkedlist 基本方法使用

学以致用,熟悉了上面基本方法之后,来简单做一个demo测试一下上面的方法:

/** 
 * 此方法描述
 * linedlist 集合的基本使用
 */
public class linkedlisttest {

    public static void main(string[] args) {

        linkedlist<string> list = new linkedlist<>();
        list.add("111");
        list.add("222");
        list.add("333");
        list.add(1,"123");

        // 分别在头部和尾部添加元素
        list.addfirst("top");
        list.addlast("bottom");
        system.out.println(list);

        // 数组克隆
        object listclone = list.clone();
        system.out.println(listclone);

        // 创建一个首尾互换的迭代器
        iterator<string> it = list.descendingiterator();
        while (it.hasnext()){
            system.out.print(it.next() + " ");
        }
        system.out.println();
        list.clear();
        system.out.println("list.contains('111') ? " + list.contains("111"));

        collection<string> collec = arrays.aslist("123","213","321");
        list.addall(collec);
        system.out.println(list);
        system.out.println("list.element = " + list.element());
        system.out.println("list.get(2) = " + list.get(2));
        system.out.println("list.getfirst() = " + list.getfirst());
        system.out.println("list.getlast() = " + list.getlast());

        // 检索指定元素出现的位置
        system.out.println("list.indexof(213) = " + list.indexof("213"));
        list.add("123");
        system.out.println("list.lastindexof(123) = " + list.lastindexof("123"));
        // 在首部和尾部添加元素
        list.offerfirst("first");
        list.offerlast("999");
        system.out.println("list = " + list);
        list.offer("last");
        // 只访问,不移除指定元素
        system.out.println("list.peek() = " + list.peek());
        system.out.println("list.peekfirst() = " + list.peekfirst());
        system.out.println("list.peeklast() = " + list.peeklast());

        // 访问并移除元素
        system.out.println("list.poll() = " + list.poll());
        system.out.println("list.pollfirst() = " + list.pollfirst());
        system.out.println("list.polllast() = " + list.polllast());
        system.out.println("list = " + list);
        // 从首部弹出元素
        list.pop();
        // 压入元素
        list.push("123");
        system.out.println("list.size() = " + list.size());
        system.out.println("list = " + list);

        // remove操作
        system.out.println(list.remove());
        system.out.println(list.remove(1));
        system.out.println(list.remove("999"));
        system.out.println(list.removefirst());
        system.out.println("list = " + list);

        list.addall(collec);
        list.addfirst("123");
        list.addlast("123");
        system.out.println("list = " + list);
        list.removefirstoccurrence("123");
        list.removelastoccurrence("123");
        list.removelast();
        system.out.println("list = " + list);
        list.addfirst("top");
        list.addlast("bottom");
        list.set(2,"321");
        system.out.println("list = " + list);
        system.out.println("--------------------------");

        // 创建一个list的双向链表
        listiterator<string> listiterator = list.listiterator();
        while(listiterator.hasnext()){
            // 移到list的末端
            system.out.println(listiterator.next());
        }
        system.out.println("--------------------------");
        while (listiterator.hasprevious()){
            // 移到list的首端
            system.out.println(listiterator.previous());
        }   
    }
}

console:

-------1------- [top, 111, 123, 222, 333, bottom]
-------2-------[top, 111, 123, 222, 333, bottom]
bottom 333 222 123 111 top 
list.contains('111') ? false
[123, 213, 321]
list.element = 123
list.get(2) = 321
list.getfirst() = 123
list.getlast() = 321
list.indexof(213) = 1
list.lastindexof(123) = 3
-------4------- [first, 123, 213, 321, 123, 999]
list.peek() = first
list.peekfirst() = first
list.peeklast() = last
list.poll() = first
list.pollfirst() = 123
list.polllast() = last
-------5------- [213, 321, 123, 999]
list.size() = 4
-------6------- [123, 321, 123, 999]
123
123
true
321
-------7------- []
-------8------- [123, 123, 213, 321, 123]
list = [123, 213]
-------9------- [top, 123, 321, bottom]
--------------------------
top
123
321
bottom
--------------------------
bottom
321
123
top

五、linkedlist 内部结构以及基本元素声明

  1. linkedlist内部结构是一个双向链表,具体示意图如下

LinkedList 基本示例及源码解析

每一个链表都是一个node节点,由三个元素组成

private static class node<e> {
        // node节点的元素
        e item;
        // 指向下一个元素
        node<e> next;
        // 指向上一个元素
        node<e> prev;

        // 节点构造函数
        node(node<e> prev, e element, node<e> next) {
            this.item = element;
            this.next = next;
            this.prev = prev;
        }
}

first 节点也是头节点, last节点也是尾节点

  1. linkedlist 中有三个元素,分别是
transient int size = 0; // 链表的容量

transient node<e> first; // 指向第一个节点

transient node<e> last; // 指向最后一个节点
  1. linkedlist 有两个构造函数,一个是空构造函数,不添加任何元素,一种是创建的时候就接收一个collection集合。
    /**
     * 空构造函数
     */
    public linkedlist() {}

    /**
     * 创建一个包含指定元素的构造函数
     */
    public linkedlist(collection<? extends e> c) {
      this();
      addall(c);
    }

六、linkedlist 具体源码分析

前言: 此源码是作者根据上面的代码示例一步一步跟进去的,如果有哪些疑问或者讲的不正确的地方,请与作者联系。

添加

添加的具体流程示意图:

LinkedList 基本示例及源码解析

包括方法有:

  • add(e e)

  • add(int index, e element)

  • addall(collection<? extends e> c)

  • addall(int index, collection<? extends e> c)

  • addfirst(e e)

  • addlast(e e)

  • offer(e e)

  • offerfirst(e e)

  • offerlast(e e)

下面对这些方法逐个分析其源码:

add(e e) :

    // 添加指定元素至list末尾
    public boolean add(e e) {
          linklast(e);
          return true;
    }

    // 真正添加节点的操作
    void linklast(e e) {
      final node<e> l = last;
        // 生成一个node节点
      final node<e> newnode = new node<>(l, e, null);
      last = newnode;
        // 如果l = null,代表的是第一个节点,所以这个节点即是头节点
        // 又是尾节点
      if (l == null)
          first = newnode;
      else
        // 如果不是的话,那么就让该节点的next 指向新的节点
          l.next = newnode;
      size++;
      modcount++;
    }
  1. 比如第一次添加的是111,此时链表中还没有节点,所以此时的尾节点last 为null, 生成新的节点,所以 此时的尾节点也就是111,所以这个 111 也是头节点,再进行扩容,修改次数对应增加
  2. 第二次添加的是 222, 此时链表中已经有了一个节点,新添加的节点会添加到尾部,刚刚添加的111 就当作头节点来使用,222被添加到111的节点后面。

add(int index,e e) :

    /**
      *在指定位置插入指定的元素
      */
    public void add(int index, e element) {
        // 下标检查
        checkpositionindex(index);

        if (index == size)
            // 如果需要插入的位置和链表的长度相同,就在链表的最后添加
            linklast(element);
        else
            // 否则就链接在此位置的前面
            linkbefore(element, node(index));
    }

    
    // 越界检查
    private void checkpositionindex(int index) {
          if (!ispositionindex(index))
              throw new indexoutofboundsexception(outofboundsmsg(index));
    }

    // 判断参数是否是有效位置(对于迭代或者添加操作来说)
    private boolean ispositionindex(int index) {
        return index >= 0 && index <= size;
    }

        // linklast 上面已经介绍过

    // 查找索引所在的节点
    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;
        }
    }

    // 在非空节点插入元素
    void linkbefore(e e, node<e> succ) {
        // assert succ != null;
        // succ 即是插入位置的节点
            // 查找该位置处的前面一个节点
        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++;
    }
  1. 例如在位置为1处添加值为123 的元素,首先对下标进行越界检查,判断这个位置是否等于链表的长度,如果与链表长度相同,就往最后插入,如果不同的话,就在索引的前面插入。
  2. 下标为1 处并不等于索引的长度,所以在索引前面插入,首先对查找 1 这个位置的节点是哪个,并获取这个节点的前面一个节点,在判断这个位置的前一个节点是否为null,如果是null,那么这个此处位置的元素就被当作头节点,如果不是的话,头节点的next 节点就指向123

addfirst(e e) :

    // 在头节点插入元素
    public void addfirst(e e) {
        linkfirst(e);
    }

        
    private void linkfirst(e e) {
        // 先找到first 节点
        final node<e> f = first;
        final node<e> newnode = new node<>(null, e, f);
        first = newnode;
        if (f == null)
            // f 为null,也就代表着没有头节点
            last = newnode;
        else
            f.prev = newnode;
        size++;
        modcount++;
    }

例如要添加top 元素至链表的首部,需要先找到first节点,如果first节点为null,也就说明没有头节点,如果不为null,则头节点的prev节点是新插入的节点。

addlast(e e) :

                
    public void addlast(e e) {
        linklast(e);
    }
        
    // 链接末尾处的节点
    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++;
    }
        

方法逻辑与在头节点插入基本相同

addall(collections<? extends e> c) :

    /**
    * 在链表中批量添加数据
    */
    public boolean addall(collection<? extends e> c) {
        return addall(size, c);
    }

    public boolean addall(int index, collection<? extends e> c) {
      // 越界检查
        checkpositionindex(index);
                
        // 把集合转换为数组
        object[] a = c.toarray();
        int numnew = a.length;
        if (numnew == 0)
            return false;

        node<e> pred, succ;
        // 直接在末尾添加,所以index = size
        if (index == size) {
            succ = null;
            pred = last;
        } else {
            succ = node(index);
            pred = succ.prev;
        }
                
        // 遍历每个数组
        for (object o : a) {
            @suppresswarnings("unchecked") e e = (e) o;
            // 先对应生成节点,再进行节点的链接
            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;
    }
collection<string> collec = arrays.aslist("123","213","321");
list.addall(collec);
  1. 例如要插入一个collection为123,213,321 的集合,没有指定插入元素的位置,默认是向链表的尾部进行链接,首先会进行数组越界检查,然后会把集合转换为数组,在判断数组的大小是否为0,为0返回,不为0,继续下面操作
  2. 因为是直接向链尾插入,所以index = size,然后遍历每个数组,首先生成对应的节点,在对节点进行链接,因为succ 是null,此时last 节点 = pred,这个时候的pred节点就是遍历数组完成后的最后一个节点
  3. 然后再扩容数组,增加修改次数

addall(collections<? extends e> c) : 这个方法的源码同上

offer也是对元素进行添加操作,源码和add方法相同

offerfirst(e e)和addfirst(e e) 源码相同

offerlast(e e)和addlast(e e) 源码相同)

push(e e) 和addfirst(e e) 源码相同

取出元素

包括方法有:

  • peek()
  • peekfirst()
  • peeklast()
  • element()
  • get(int index)
  • getfirst()
  • getlast()
  • indexof(object o)
  • lastindexof(object o)

peek()

    /**
    *   只是访问,但是不移除链表的头元素
    */
    public e peek() {
        final node<e> f = first;
        return (f == null) ? null : f.item;
    }

peek() 源码比较简单,直接找到链表的第一个节点,判断是否为null,如果为null,返回null,否则返回链首的元素

peekfirst() : 源码和peek() 相同

peeklast():

    /**
    * 访问,但是不移除链表中的最后一个元素
    * 或者返回null如果链表是空链表
    */
    public e peeklast() {
        final node<e> l = last;
        return (l == null) ? null : l.item;
    }

源码也比较好理解

element() :

    /**
    * 只是访问,但是不移除链表的第一个元素
    */
    public e element() {
        return getfirst();
    }

    public e getfirst() {
        final node<e> f = first;
        if (f == null)
            throw new nosuchelementexception();
        return f.item;
    }

与peek()相同的地方都是访问链表的第一个元素,不同是element元素在链表为null的时候会报空指针异常

****get(int index) :

    /*
    * 返回链表中指定位置的元素
    */ 
    public e get(int index) {
        checkelementindex(index);
        return node(index).item;
    }

    // 返回指定索引下的元素的非空节点
    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;
        }
    }

get(int index)源码也是比较好理解,首先对下标进行越界检查,没有越界的话直接找到索引位置对应的node节点,进行返回

getfirst() :源码和element()相同

getlast(): 直接找到最后一个元素进行返回,和getfist几乎相同

indexof(object o) :

    /*
    * 返回第一次出现指定元素的位置,或者-1如果不包含指定元素。
    */
    public int indexof(object o) {
        int index = 0;
        if (o == null) {
            for (node<e> x = first; x != null; x = x.next) {
                if (x.item == null)
                    return index;
                index++;
            }
        } else {
            for (node<e> x = first; x != null; x = x.next) {
                if (o.equals(x.item))
                    return index;
                index++;
            }
        }
        return -1;
    }

两种情况:

  1. 如果需要检索的元素是null,对元素链表进行遍历,返回x的元素为空的位置
  2. 如果需要检索的元素不是null,对元素的链表遍历,直到找到相同的元素,返回元素下标

lastindexof(object o) :

    /*
    * 返回最后一次出现指定元素的位置,或者-1如果不包含指定元素。
    */
    public int lastindexof(object o) {
        int index = size;
        if (o == null) {
            for (node<e> x = last; x != null; x = x.prev) {
                index--;
                if (x.item == null)
                    return index;
            }
        } else {
            for (node<e> x = last; x != null; x = x.prev) {
                index--;
                if (o.equals(x.item))
                    return index;
            }
        }
        return -1;
    }

从indexof(object o)源码反向理解

删除

删除节点的示意图如下:

LinkedList 基本示例及源码解析

包括的方法有:

  • poll()
  • pollfirst()
  • polllast()
  • pop()
  • remove()
  • remove(int index)
  • remove(object o)
  • removefirst()
  • removefirstoccurrence(object o)
  • removelast()
  • removelastoccurrence(object o)
  • clear()

poll() :

    /*
    * 访问并移除链表中指定元素
    */
    public e poll() {
        final node<e> f = first;
        return (f == null) ? null : unlinkfirst(f);
    }

    // 断开第一个非空节点
    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;
    }

poll()方法也比较简单直接,首先通过node方法找到第一个链表头,然后把链表的元素和链表头指向的next元素置空,再把next节点的元素变为头节点的元素

pollfirst() : 与poll() 源码相同

polllast(): 与poll() 源码很相似,不再解释

pop()

            
    /*
        * 弹出链表的指定元素,换句话说,移除并返回链表中第一个元素
      */
    public e removefirst() {
      final node<e> f = first;
      if (f == null)
        throw new nosuchelementexception();
      return unlinkfirst(f);
    }

    // unlinkfirst 源码上面