【数据结构】LinkedList原理及实现学习总结

r囧r小猫 2022-08-21 06:37 200阅读 0赞

## 一、LinkedList实现原理概述 ##

LinkedList 和 ArrayList 一样，都实现了 List 接口，但其内部的数据结构有本质的不同。LinkedList 是基于链表实现的（通过名字也能区分开来），所以它的插入和删除操作比 ArrayList 更加高效。但也是由于其为基于链表的，所以随机访问的效率要比 ArrayList 差。

## 二、LinkedList类定义 ##

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

1.  LinkedList 是一个继承于AbstractSequentialList的双向链表。它也可以被当作堆栈、队列或双端队列进行操作。
2.  LinkedList 实现 List 接口，能对它进行队列操作。
3.  LinkedList 实现 Deque 接口，即能将LinkedList当作双端队列使用。
4.  LinkedList 实现了Cloneable接口，即覆盖了函数clone()，能克隆。
5.  LinkedList 实现java.io.Serializable接口，这意味着LinkedList支持序列化，能通过序列化去传输。
6.  LinkedList 是非同步的。

为什么要继承自AbstractSequentialList ?  
AbstractSequentialList 实现了get(int index)、set(int index, E element)、add(int index, E element) 和 remove(int index)这些骨干性函数。降低了List接口的复杂度。这些接口都是随机访问List的，LinkedList是双向链表；既然它继承于AbstractSequentialList，就相当于已经实现了“get(int index)这些接口”。  
此外，我们若需要通过AbstractSequentialList自己实现一个列表，只需要扩展此类，并提供 listIterator() 和 size() 方法的实现即可。若要实现不可修改的列表，则需要实现列表迭代器的 hasNext、next、hasPrevious、previous 和 index 方法即可。

LinkedList的类图关系：

![这里写图片描述][20160420215938702]

## 三、LinkedList数据结构原理 ##

LinkedList底层的数据结构是基于双向循环链表的，且头结点中不存放数据,如下：  
![这里写图片描述][20160420220126096]  
既然是双向链表，那么必定存在一种数据结构——我们可以称之为节点，节点实例保存业务数据，前一个节点的位置信息和后一个节点位置信息，如下图所示：  
![这里写图片描述][20160420220144205]

## 四、私有属性 ##

LinkedList中之定义了两个属性：

private transient Entry<E> header = new Entry<E>(null, null, null);2 private transient int size = 0;

header是双向链表的头节点，它是双向链表节点所对应的类Entry的实例。Entry中包含成员变量： previous, next, element。其中，previous是该节点的上一个节点，next是该节点的下一个节点，element是该节点所包含的值。  
　　size是双向链表中节点实例的个数。  
首先来了解节点类Entry类的代码。

private static class Entry<E> {
         E element;
          Entry<E> next;
          Entry<E> previous;
    
          Entry(E element, Entry<E> next, Entry<E> previous) {
              this.element = element;
              this.next = next;
             this.previous = previous;
                 }
              }

节点类很简单，element存放业务数据，previous与next分别存放前后节点的信息（在数据结构中我们通常称之为前后节点的指针）。

## 五、构造方法 ##

LinkedList提供了两个构造方法。

public LinkedList() {    
     header.next = header.previous = header;
     }
    public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
         this();
       addAll(c);

第一个构造方法不接受参数，将header实例的previous和next全部指向header实例（注意，这个是一个双向循环链表，如果不是循环链表，空链表的情况应该是header节点的前一节点和后一节点均为null），这样整个链表其实就只有header一个节点，用于表示一个空的链表。  
执行完构造函数后，header实例自身形成一个闭环，如下图所示：  
![这里写图片描述][20160420220232581]  
第二个构造方法接收一个Collection参数c，调用第一个构造方法构造一个空的链表，之后通过addAll将c中的元素全部添加到链表中。

## 六、元素添加 ##

下面说明双向链表添加元素add()的原理:

// 将元素(E)添加到LinkedList中
         public boolean add(E e) {
             // 将节点(节点数据是e)添加到表头(header)之前。
             // 即，将节点添加到双向链表的末端。 addBefore(e, header);
             return true;
         }
    
         public void add(int index, E element) {
             addBefore(element, (index==size ? header : entry(index)));
         }
    
        private Entry<E> addBefore(E e, Entry<E> entry) {
             Entry<E> newEntry = new Entry<E>(e, entry, entry.previous);
             newEntry.previous.next = newEntry;
             newEntry.next.previous = newEntry;
             size++;
             modCount++;
             return newEntry;
    }

addBefore(E e,Entry entry)方法是个私有方法，所以无法在外部程序中调用（当然，这是一般情况，你可以通过反射上面的还是能调用到的）。  
addBefore(E e,Entry entry)先通过Entry的构造方法创建e的节点newEntry（包含了将其下一个节点设置为entry，上一个节点设置为entry.previous的操作，相当于修改newEntry的“指针”），之后修改插入位置后newEntry的前一节点的next引用和后一节点的previous引用，使链表节点间的引用关系保持正确。之后修改和size大小和记录modCount，然后返回新插入的节点。  
下面分解“添加第一个数据”的步骤：  
第一步：初始化后LinkedList实例的情况：  
![这里写图片描述][20160420220301878]  
第二步：初始化一个预添加的Entry实例（newEntry）。  
Entry newEntry = newEntry(e, entry, entry.previous);  
![这里写图片描述][20160420220320754]

第三步：调整新加入节点和头结点（header）的前后指针。  
newEntry.previous.next = newEntry;  
newEntry.previous即header，newEntry.previous.next即header的next指向newEntry实例。在上图中应该是“4号线”指向newEntry。  
newEntry.next.previous = newEntry;  
newEntry.next即header，newEntry.next.previous即header的previous指向newEntry实例。在上图中应该是“3号线”指向newEntry。  
调整后如下图所示：  
图——加入第一个节点后LinkedList示意图  
![这里写图片描述][20160420220427832]  
下面分解“添加第二个数据”的步骤：  
第一步：新建节点。  
图——添加第二个节点  
![这里写图片描述][20160420220353598]  
第二步：调整新节点和头结点的前后指针信息。  
图——调整前后指针信息  
![这里写图片描述][20160420220455316]  
添加后续数据情况和上述一致，LinkedList实例是没有容量限制的。

总结，addBefore(E e,Entry entry)实现在entry之前插入由e构造的新节点。而add(E e)实现在header节点之前插入由e构造的新节点。为了便于理解，下面给出插入节点的示意图。  
![这里写图片描述][20160420220515381]

public void addFirst(E e) {
         addBefore(e, header.next);
     }
    
     public void addLast(E e) {
         addBefore(e, header);
     }

看上面的示意图，结合addBefore(E e,Entry entry)方法，很容易理解addFrist(E e)只需实现在header元素的下一个元素之前插入，即示意图中的一号之前。addLast(E e)只需在实现在header节点前（因为是循环链表，所以header的前一个节点就是链表的最后一个节点）插入节点（插入后在2号节点之后）。

## 七、删除数据remove() ##

public E remove(int index) {
            Entry e = get(index);
            remove(e);
            return e.element;
        }
    
        private void remove(E e) {
            if (e == header)
                throw new NoSuchElementException();
            // 将前一节点的next引用赋值为e的下一节点
            e.previous.next = e.next;
            // 将e的下一节点的previous赋值为e的上一节点
            e.next.previous = e.previous;
            // 上面两条语句的执行已经导致了无法在链表中访问到e节点，而下面解除了e节点对前后节点的引用
            e.next = e.previous = null;
            // 将被移除的节点的内容设为null
            e.element = null;
            // 修改size大小
            size--;
        }

由于删除了某一节点因此调整相应节点的前后指针信息，如下：  
e.previous.next = e.next;//预删除节点的前一节点的后指针指向预删除节点的后一个节点。  
e.next.previous = e.previous;//预删除节点的后一节点的前指针指向预删除节点的前一个节点。  
清空预删除节点：  
e.next = e.previous = null;  
e.element = null;  
交给gc完成资源回收，删除操作结束。  
与ArrayList比较而言，LinkedList的删除动作不需要“移动”很多数据，从而效率更高。

## 八、数据获取get() ##

Get(int)方法的实现在remove(int)中已经涉及过了。首先判断位置信息是否合法（大于等于0，小于当前LinkedList实例的Size），然后遍历到具体位置，获得节点的业务数据（element）并返回。  
注意：为了提高效率，需要根据获取的位置判断是从头还是从尾开始遍历。

// 获取双向链表中指定位置的节点 
        private Entry<E> entry(int index) {    
            if (index < 0 || index >= size)    
                throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+    
                                                    ", Size: "+size);    
            Entry<E> e = header;    
            // 获取index处的节点。 
            // 若index < 双向链表长度的1/2,则从前先后查找; 
            // 否则，从后向前查找。 
            if (index < (size >> 1)) {    
                for (int i = 0; i <= index; i++)    
                    e = e.next;    
            } else {    
                for (int i = size; i > index; i--)    
                    e = e.previous;    
            }    
            return e;    
        }

注意细节：位运算与直接做除法的区别。先将index与长度size的一半比较，如果index

## 九、 清除数据clear() ##

public void clear() {
          Entry<E> e = header.next;
          // e可以理解为一个移动的“指针”，因为是循环链表，所以回到header的时候说明已经没有节点了
          while (e != header) {
             // 保留e的下一个节点的引用
              Entry<E> next = e.next;
              // 解除节点e对前后节点的引用
             e.next = e.previous = null;
              // 将节点e的内容置空
             e.element = null;
             // 将e移动到下一个节点
             e = next;
      }
         // 将header构造成一个循环链表，同构造方法构造一个空的LinkedList
         header.next = header.previous = header;
         // 修改size
         size = 0;
         modCount++;
     }

## 十、数据包含 contains(Object o) ##

public boolean contains(Object o) {
         return indexOf(o) != -1;
     }
     // 从前向后查找，返回“值为对象(o)的节点对应的索引” 不存在就返回-1 
     public int indexOf(Object o) {
          int index = 0;
          if (o==null) {
              for (Entry e = header.next; e != header; e = e.next) {
                  if (e.element==null)
                      return index;
                  index++;
             }
          } else {
             for (Entry e = header.next; e != header; e = e.next) {
                 if (o.equals(e.element))
                     return index;
                 index++;
            }
        }
         return -1;
     }

indexOf(Object o)判断o链表中是否存在节点的element和o相等，若相等则返回该节点在链表中的索引位置，若不存在则放回-1。  
contains(Object o)方法通过判断indexOf(Object o)方法返回的值是否是-1来判断链表中是否包含对象o。

## 十一、数据复制clone()与toArray() ##

clone()

public Object clone() {
          LinkedList<E> clone = null;
          try {
              clone = (LinkedList<E>) super.clone();
          } catch (CloneNotSupportedException e) {
              throw new InternalError();
        }
          clone.header = new Entry<E>(null, null, null);
          clone.header.next = clone.header.previous = clone.header;
         clone.size = 0;
         clone.modCount = 0;
         for (Entry<E> e = header.next; e != header; e = e.next)
            clone.add(e.element);
         return clone;
     }

调用父类的clone()方法初始化对象链表clone，将clone构造成一个空的双向循环链表，之后将header的下一个节点开始将逐个节点添加到clone中。最后返回克隆的clone对象。  
toArray()

public Object[] toArray() {
         Object[] result = new Object[size];
         int i = 0;
         for (Entry<E> e = header.next; e != header; e = e.next)
             result[i++] = e.element;
         return result;
     }

创建大小和LinkedList相等的数组result，遍历链表，将每个节点的元素element复制到数组中，返回数组。  
toArray(T\[\] a)

public <T> T[] toArray(T[] a) {
          if (a.length < size)
              a = (T[])java.lang.reflect.Array.newInstance(
                                     a.getClass().getComponentType(), size);
          int i = 0;
          Object[] result = a;
          for (Entry<E> e = header.next; e != header; e = e.next)
              result[i++] = e.element;
          if (a.length > size)
             a[size] = null;
         return a;
     }

先判断出入的数组a的大小是否足够，若大小不够则拓展。这里用到了发射的方法，重新实例化了一个大小为size的数组。之后将数组a赋值给数组result，遍历链表向result中添加的元素。最后判断数组a的长度是否大于size，若大于则将size位置的内容设置为null。返回a。  
从代码中可以看出，数组a的length小于等于size时，a中所有元素被覆盖，被拓展来的空间存储的内容都是null；若数组a的length的length大于size，则0至size-1位置的内容被覆盖，size位置的元素被设置为null，size之后的元素不变。  
为什么不直接对数组a进行操作，要将a赋值给result数组之后对result数组进行操作？

## 十二、遍历数据：Iterator() ##

LinkedList的Iterator  
除了Entry，LinkedList还有一个内部类：ListItr。  
ListItr实现了ListIterator接口，可知它是一个迭代器，通过它可以遍历修改LinkedList。  
在LinkedList中提供了获取ListItr对象的方法：listIterator(int index)。

public ListIterator<E> listIterator(int index) {
         return new ListItr(index);
     }

该方法只是简单的返回了一个ListItr对象。  
LinkedList中还有通过集成获得的listIterator()方法，该方法只是调用了listIterator(int index)并且传入0。

十三、

[20160420215938702]: /images/20220724/46e70abde32f44acb008e478a00dcfec.png
[20160420220126096]: /images/20220724/df5eaffa006243a29c6c0ee3db82ef10.png
[20160420220144205]: /images/20220724/b4145ff2d781448496df6a9801528e3f.png
[20160420220232581]: /images/20220724/98aefab84db144efa0ac5100850889c0.png
[20160420220301878]: /images/20220724/db747afaede847d3b912b60ddc0f9004.png
[20160420220320754]: /images/20220724/56617f1718e94bf7a37e2af25960f3e0.png
[20160420220427832]: /images/20220724/5b7edb216cfd4880ba553448c6929477.png
[20160420220353598]: /images/20220724/f1338380b4d24160b76aeb57f61b0166.png
[20160420220455316]: /images/20220724/efc9f5a5b983457d8e6f3765cd06cb56.png
[20160420220515381]: /images/20220724/2d65e7b204a74d26aa8704a329719be1.png