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[其他] 计算机程序的思维逻辑(39):剖析 LinkedList

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╰等不到的愛 发表于 2016-12-1 14:56:16
248 3

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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
  

   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,避免迭代中间并发修改错误。
  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 ArrayList<String>();
list.add("a");
list.add("b");

  执行完第一行后,内部结构如下所示:
   

计算机程序的思维逻辑(39):剖析 LinkedList

计算机程序的思维逻辑(39):剖析 LinkedList-1-技术控-计算机程序,public,文章,接口,历史

添加完"a"后,内部结构如下所示:
   

计算机程序的思维逻辑(39):剖析 LinkedList

计算机程序的思维逻辑(39):剖析 LinkedList-2-技术控-计算机程序,public,文章,接口,历史

添加完"b"后,内部结构如下所示:
   

计算机程序的思维逻辑(39):剖析 LinkedList

计算机程序的思维逻辑(39):剖析 LinkedList-3-技术控-计算机程序,public,文章,接口,历史


  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:
   

计算机程序的思维逻辑(39):剖析 LinkedList

计算机程序的思维逻辑(39):剖析 LinkedList-4-技术控-计算机程序,public,文章,接口,历史

  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:
  
       
  • 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。
       
  • 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:
   

计算机程序的思维逻辑(39):剖析 LinkedList

计算机程序的思维逻辑(39):剖析 LinkedList-5-技术控-计算机程序,public,文章,接口,历史

  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?
  -- 长文连载,未完待续,敬请关注(点击文章头部公众号链接,或公众号搜索"老马说编程"或"laoma_shuo",或长按下图二维码关注)
   

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meptn 发表于 2016-12-1 22:09:38
谁说colabug的人气不行了?
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刘文博 发表于 2016-12-23 05:04:06
逆袭成功。。。。。。
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高三情侣 发表于 2016-12-25 05:30:30
看了这么多帖子,第一次看到这么经典的!
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