计算机程序的思维逻辑 (39) - 剖析LinkedList

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上节我们介绍了ArrayList，ArrayList随机访问效率很高，但插入和删除性能比较低，我们提到了同样实现了List接口的LinkedList，它的特点与ArrayList几乎正好相反，本节我们就来详细介绍LinkedList。

除了实现了List接口外，LinkedList还实现了Deque和Queue接口，可以按照队列、栈和双端队列的方式进行操作，本节会介绍这些用法，同时介绍其实现原理。

我们先来看它的用法。

用法

构造方法

LinkedList的构造方法与ArrayList类似，有两个，一个是默认构造方法，另外一个可以接受一个已有的Collection，如下所示：

public LinkedList()
public LinkedList(Collection<? extends E> c)

比如，可以这么创建：

List<String> list = new LinkedList<>();
List<String> list2 = new LinkedList<>(
        Arrays.asList(new String[]{"a","b","c"}));

List接口

LinkedList与ArrayList一样，同样实现了List接口，而List接口扩展了Collection接口，Collection又扩展了Iterable接口，所有这些接口的方法都是可以使用的，使用方法与上节介绍的一样，本节就不再赘述了。

队列 (Queue)

LinkedList还实现了队列接口Queue，所谓队列就类似于日常生活中的各种排队，特点就是先进先出，在尾部添加元素，从头部删除元素，它的接口定义为：

public interface Queue<E> extends Collection<E> {
    boolean add(E e);
    boolean offer(E e);
    E remove();
    E poll();
    E element();
    E peek();
} 

Queue扩展了Collection，它的主要操作有三个：

• 在尾部添加元素 (add, offer)
• 查看头部元素 (element, peek)，返回头部元素，但不改变队列
• 删除头部元素 (remove, poll)，返回头部元素，并且从队列中删除

每种操作都有两种形式，有什么区别呢？区别在于，对于特殊情况的处理不同。特殊情况是指，队列为空或者队列为满，为空容易理解，为满是指队列有长度大小限制，而且已经占满了。LinkedList的实现中，队列长度没有限制，但别的Queue的实现可能有。

在队列为空时，element和remove会抛出异常NoSuchElementException，而peek和poll返回特殊值null，在队列为满时，add会抛出异常IllegalStateException，而offer只是返回false。

把LinkedList当做Queue使用也很简单，比如，可以这样：

Queue<String> queue = new LinkedList<>();
 
queue.offer("a");
queue.offer("b");
queue.offer("c");
 
while(queue.peek()!=null){
    System.out.println(queue.poll());
}

输出为：

a
b
c

栈

我们在介绍函数调用原理的时候介绍过栈，栈也是一种常用的数据结构，与队列相反，它的特点是先进后出、后进先出，类似于一个储物箱，放的时候是一件件往上放，拿的时候则只能从上面开始拿。

Java中有一个类Stack，用于表示栈，但这个类已经过时了，我们不再介绍，Java中没有单独的栈接口，栈相关方法包括在了表示双端队列的接口Deque中，主要有三个方法：

void push(E e);
E pop();
E peek();

解释下：

• push表示入栈，在头部添加元素，栈的空间可能是有限的，如果栈满了，push会抛出异常IllegalStateException。
• pop表示出栈，返回头部元素，并且从栈中删除，如果栈为空，会抛出异常NoSuchElementException。
• peek查看栈头部元素，不修改栈，如果栈为空，返回null。

把LinkedList当做栈使用也很简单，比如，可以这样：

Deque<String> stack = new LinkedList<>();
 
stack.push("a");
stack.push("b");
stack.push("c");
 
while(stack.peek()!=null){
    System.out.println(stack.pop());
}

输出为：

c
b
a

双端队列 (Deque)

栈和队列都是在两端进行操作，栈只操作头部，队列两端都操作，但尾部只添加、头部只查看和删除，有一个更为通用的操作两端的接口Deque，Deque扩展了Queue，包括了栈的操作方法，此外，它还有如下更为明确的操作两端的方法：

void addFirst(E e);
void addLast(E e);
E getFirst();
E getLast();
boolean offerFirst(E e);
boolean offerLast(E e);
E peekFirst();
E peekLast();
E pollFirst();
E pollLast();
E removeFirst();
E removeLast();

xxxFirst操作头部，xxxLast操作尾部。与队列类似，每种操作有两种形式，区别也是在队列为空或满时，处理不同。为空时，getXXX/removeXXX会抛出异常，而peekXXX/pollXXX会返回null。队列满时，addXXX会抛出异常，offerXXX只是返回false。

栈和队列只是双端队列的特殊情况，它们的方法都可以使用双端队列的方法替代，不过，使用不同的名称和方法，概念上更为清晰。

Deque接口还有一个迭代器方法，可以从后往前遍历

Iterator<E> descendingIterator();

比如，看如下代码：

Deque<String> deque = new LinkedList<>(
        Arrays.asList(new String[]{"a","b","c"}));
Iterator<String> it = deque.descendingIterator();
while(it.hasNext()){
    System.out.print(it.next()+" ");
}

输出为

c b a 

用法小结

LinkedList的用法是比较简单的，与ArrayList用法类似，支持List接口，只是，LinkedList增加了一个接口Deque，可以把它看做队列、栈、双端队列，方便的在两端进行操作。

如果只是用作List，那应该用ArrayList还是LinkedList呢？我们需要了解下LinkedList的实现原理。

实现原理

内部组成

我们知道，ArrayList内部是数组，元素在内存是连续存放的，但LinkedList不是。LinkedList直译就是链表，确切的说，它的内部实现是双向链表，每个元素在内存都是单独存放的，元素之间通过链接连在一起，类似于小朋友之间手拉手一样。

为了表示链接关系，需要一个节点的概念，节点包括实际的元素，但同时有两个链接，分别指向前一个节点(前驱)和后一个节点(后继)，节点是一个内部类，具体定义为：

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;
    }
}

Node类表示节点，item指向实际的元素，next指向下一个节点，prev指向前一个节点。

LinkedList内部组成就是如下三个实例变量：

transient int size = 0;
transient Node<E> first;
transient Node<E> last;

我们暂时忽略transient关键字，size表示链表长度，默认为0，first指向头节点，last指向尾节点，初始值都为null。

LinkedList的所有public方法内部操作的都是这三个实例变量，具体是怎么操作的？链接关系是如何维护的？我们看一些主要的方法，先来看add方法。

Add方法

add方法的代码为：

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

主要就是调用了linkLast，它的代码为：

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++;
}

代码的基本步骤是：

1. 创建一个新的节点newNode。prev指向原来的尾节点，如果原来链表为空，则为null。代码为：

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

2. 修改尾节点last，指向新的最后节点newNode。代码为：

last = newNode;

3. 修改前节点的后向链接，如果原来链表为空，则让头节点指向新节点，否则让前一个节点的next指向新节点。代码为：

if (l == null)
    first = newNode;
else
    l.next = newNode;

4. 增加链表大小。代码为：

size++

modCount++的目的与ArrayList是一样的，记录修改次数，便于迭代中间检测结构性变化。

我们通过一些图示来更清楚的看一下，比如说，代码为：

List<String> list = new LinkedList<String>();
list.add("a");
list.add("b");

执行完第一行后，内部结构如下所示：

添加完"a"后，内部结构如下所示：

添加完"b"后，内部结构如下所示：

可以看出，与ArrayList不同，LinkedList的内存是按需分配的，不需要预先分配多余的内存，添加元素只需分配新元素的空间，然后调节几个链接即可。

根据索引访问元素 get

添加了元素，如果根据索引访问元素呢？我们看下get方法的代码：

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

checkElementIndex检查索引位置的有效性，如果无效，抛出异常，代码为：

private void checkElementIndex(int index) {
    if (!isElementIndex(index))
        throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
 
private boolean isElementIndex(int index) {
    return index >= 0 && index < size;
}

如果index有效，则调用node方法查找对应的节点，其item属性就指向实际元素内容，node方法的代码为：

Node<E> node(int 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;
    }
}

size>>1等于size/2，如果索引位置在前半部分 (index<(size>>1))，则从头节点开始查找，否则，从尾节点开始查找。

可以看出，与ArrayList明显不同，ArrayList中数组元素连续存放，可以直接随机访问，而在LinkedList中，则必须从头或尾，顺着链接查找，效率比较低。

根据内容查找元素

我们看下indexOf的代码：

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;
}

代码也很简单，从头节点顺着链接往后找，如果要找的是null，则找第一个item为null的节点，否则使用equals方法进行比较。

插入元素

add是在尾部添加元素，如果在头部或中间插入元素呢？可以使用如下方法：

public void add(int index, E element)

它的代码是：

public void add(int index, E element) {
    checkPositionIndex(index);
 
    if (index == size)
        linkLast(element);
    else
        linkBefore(element, node(index));
}

如果index为size，添加到最后面，一般情况，是插入到index对应节点的前面，调用方法为linkBefore，它的代码为：

void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
    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++;
}

参数succ表示后继节点。变量pred就表示前驱节点。目标就是在pred和succ中间插入一个节点。插入步骤是：

1. 新建一个节点newNode，前驱为pred，后继为succ。代码为：

Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);

2. 让后继的前驱指向新节点。代码为：

succ.prev = newNode;

3. 让前驱的后继指向新节点，如果前驱为空，修改头节点指向新节点。代码为：

if (pred == null)
    first = newNode;
else
    pred.next = newNode;

4. 增加长度。

我们通过图示来更清楚的看下，还是上面的例子，比如，添加一个元素：

list.add(1, "c");

图示结构会变为：

可以看出，在中间插入元素，LinkedList只需按需分配内存，修改前驱和后继节点的链接，而ArrayList则可能需要分配很多额外空间，且移动所有后续元素。

删除元素

我们再来看删除元素，代码为：

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

通过node方法找到节点后，调用了unlink方法，代码为：

E unlink(Node<E> x) {
    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;
}

删除x节点，基本思路就是让x的前驱和后继直接链接起来，next是x的后继，prev是x的前驱，具体分为两步：

1. 第一步是让x的前驱的后继指向x的后继。如果x没有前驱，说明删除的是头节点，则修改头节点指向x的后继。
2. 第二步是让x的后继的前驱指向x的前驱。如果x没有后继，说明删除的是尾节点，则修改尾节点指向x的前驱。

我们再通过图示看下，还是上面的例子，如果删除一个元素：

list.remove(1);

图示结构会变为：

原理小结

以上，我们介绍了LinkedList的内部组成，以及几个主要方法的实现代码，其他方法的原理也都类似，我们就不赘述了。

前面我们提到，对于队列、栈和双端队列接口，长度可能有限制，LinkedList实现了这些接口，不过LinkedList对长度并没有限制。

LinkedList特点分析

LinkedList内部是用双向链表实现的，维护了长度、头节点和尾节点，这决定了它有如下特点：

• 按需分配空间，不需要预先分配很多空间
• 不可以随机访问，按照索引位置访问效率比较低，必须从头或尾顺着链接找，效率为O(N/2)。
• 不管列表是否已排序，只要是按照内容查找元素，效率都比较低，必须逐个比较，效率为O(N)。
• 在两端添加、删除元素的效率很高，为O(1)。
• 在中间插入、删除元素，要先定位，效率比较低，为O(N)，但修改本身的效率很高，效率为O(1)。

理解了LinkedList和ArrayList的特点，我们就能比较容易的进行选择了，如果列表长度未知，添加、删除操作比较多，尤其经常从两端进行操作，而按照索引位置访问相对比较少，则LinkedList就是比较理想的选择。

小结
本节详细介绍了LinkedList，先介绍了用法，然后介绍了实现原理，最后我们分析了LinkedList的特点，并与ArrayList进行了比较。

用法上，LinkedList是一个List，但也实现了Deque接口，可以作为队列、栈和双端队列使用。实现原理上，内部是一个双向链表，并维护了长度、头节点和尾节点。

无论是ArrayList还是LinkedList，按内容查找元素的效率都很低，都需要逐个进行比较，有没有更有效的方式呢？

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