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linkedlist底层是双向链表吗?

更新时间:2020-10-13 来源:黑马程序员 浏览量:

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。

一、LinkedList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:
LinkedList结构图
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 :

  1. private static class Node<E> {
  2. E item;// 节点中存储的数据
  3. Node<E> next; // 下一个节点的地址
  4. Node<E> prev; // 前一个节点的地址
  5. // 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
  6. Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
  7. this.item = element;
  8. this.next = next;
  9. this.prev = prev;
  10. }
  11. }

二、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)

  1. // 从尾部开始添加节点
  2. void linkLast(E e) {
  3. // 把尾节点数据暂存
  4. final Node<E> l = last;
  5. // 新建新的节点,初始化入参含义:
  6. // l 是新节点的前一个节点,当前值是尾节点值
  7. // e 表示当前新增节点,当前新增节点后一个节点是 null
  8. final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
  9. // 新建节点添加到尾部
  10. last = newNode;
  11. //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
  12. if (l == null)
  13. first = newNode;
  14. //否则把前尾节点的下一个节点,指向当前尾节点。
  15. else
  16. l.next = newNode;
  17. size++;//集合元素数量增加1
  18. modCount++;//实际修改次数增加1
  19. }

从源码上来看,尾部添加节点比较简单.

从头部添加(addFirst)

  1. // 从头部添加
  2. private void linkFirst(E e) {
  3. // 头节点赋值给临时变量
  4. final Node<E> f = first;
  5. // 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
  6. final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
  7. // 新建节点成为头节点
  8. first = newNode;
  9. // 头节点为空,就是链表为空,头尾节点是一个节点
  10. if (f == null)
  11. last = newNode;
  12. //上一个头节点的前一个节点指向当前节点
  13. else
  14. f.prev = newNode;
  15. size++;
  16. modCount++;
  17. }

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

  1. //从头删除节点 f 是链表头节点
  2. private E unlinkFirst(Node<E> f) {
  3. // 拿出头节点的值,作为方法的返回值
  4. final E element = f.item;
  5. // 拿出头节点的下一个节点
  6. final Node<E> next = f.next;
  7. //帮助 GC 回收头节点
  8. f.item = null;
  9. f.next = null;
  10. // 头节点的下一个节点成为头节点
  11. first = next;
  12. //如果 next 为空,表明链表为空
  13. if (next == null)
  14. last = null;
  15. //链表不为空,头节点的前一个节点指向 null
  16. else
  17. next.prev = null;
  18. //修改链表大小和版本
  19. size--;
  20. modCount++;
  21. return element;
  22. }

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:

  1. // 根据链表索引位置查询节点
  2. Node<E> node(int index) {
  3. // 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。
  4. if (index < (size >> 1)) {
  5. Node<E> x = first;
  6. // 直到 for 循环到 index 的前一个 node 停止
  7. for (int i = 0; i < index; i++)
  8. x = x.next;
  9. return x;
  10. } else {// 如果 index 处于队列的后半部分,从尾开始找
  11. Node<E> x = last;
  12. // 直到 for 循环到 index 的后一个 node 停止
  13. for (int i = size - 1; i > index; i--)
  14. x = x.prev;
  15. return x;
  16. }
  17. }

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:

  1. // 双向迭代器
  2. private class ListItr implements ListIterator<E> {
  3. private Node<E> lastReturned;//上一次执行 next() 或者 previos() 方法时的节点位置
  4. private Node<E> next;//下一个节点
  5. private int nextIndex;//下一个节点的位置
  6. //expectedModCount:期望版本号;modCount:目前最新版本号
  7. private int expectedModCount = modCount;
  8. …………
  9. }

我们先来看下从头到尾方向的迭代:

  1. // 判断还有没有下一个元素
  2. public boolean hasNext() {
  3. return nextIndex < size;// 下一个节点的索引小于链表的大小,就有
  4. }
  5. // 取下一个元素
  6. public E next() {
  7. //检查期望版本号有无发生变化
  8. checkForComodification();
  9. if (!hasNext())//再次检查
  10. throw new NoSuchElementException();
  11. // next 是当前节点,在上一次执行 next() 方法时被赋值的。
  12. // 第一次执行时,是在初始化迭代器的时候,next 被赋值的
  13. lastReturned = next;
  14. // next 是下一个节点了,为下次迭代做准备
  15. next = next.next;
  16. nextIndex++;
  17. return lastReturned.item;
  18. }

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:

  1. // 如果上次节点索引位置大于 0,就还有节点可以迭代
  2. public boolean hasPrevious() {
  3. return nextIndex > 0;
  4. }
  5. // 取前一个节点
  6. public E previous() {
  7. checkForComodification();
  8. if (!hasPrevious())
  9. throw new NoSuchElementException();
  10. // 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
  11. // 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)
  12. lastReturned = next = (next == null) ? last : next.prev;
  13. // 索引位置变化
  14. nextIndex--;
  15. return lastReturned.item;
  16. }

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:

  1. public void remove() {
  2. checkForComodification();
  3. // lastReturned 是本次迭代需要删除的值,分以下空和非空两种情况:
  4. // lastReturned 为空,说明调用者没有主动执行过 next() 或者 previos(),直接报错
  5. // lastReturned 不为空,是在上次执行 next() 或者 previos()方法时赋的值
  6. if (lastReturned == null)
  7. throw new IllegalStateException();
  8. Node<E> lastNext = lastReturned.next;
  9. //删除当前节点
  10. unlink(lastReturned);
  11. // 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
  12. // 这种情况下,previous() 方法里面设置了 lastReturned = next = last,所以 next 和 lastReturned会相等
  13. if (next == lastReturned)
  14. // 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
  15. next = lastNext;
  16. else
  17. nextIndex--;
  18. lastReturned = null;
  19. expectedModCount++;
  20. }

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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