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java培训 | Java LinkedList的实现原理

发布百知教育 来源:学习课程 2019-09-28

LinkedList是Java List类型的集合类的一种实现,此外,LinkedList还实现了Deque接口。本文基于Java1.8,对于LinkedList的实现原理做一下详细讲解。



一、LinkedList实现原理总结

LinkedList的实现原理总结如下:


①数据存储是基于双向链表实现的。

②插入数据很快。先是在双向链表中找到要插入节点的位置index,找到之后,再插入一个新节点。 双向链表查找index位置的节点时,有一个加速动作:若index < 双向链表长度的1/2,则从前向后查找; 否则,从后向前查找。

③删除数据很快。先是在双向链表中找到要插入节点的位置index,找到之后,进行如下操作:node.previous.next = node.next;node.next.previous = node.previous;node = null 。查找节点过程和插入一样。

④获取数据很慢,需要从Head节点进行查找。

⑤遍历数据很慢,每次获取数据都需要从头开始。


二、ArrayList的实现原理详解


1. LinkedList概述:

List 接口的链接列表实现。实现所有可选的列表操作,并且允许所有元素(包括 null)。除了实现 List 接口外,LinkedList 类还为在列表的开头及结尾 get、remove 和 insert 元素提供了统一的命名方法。这些操作允许将链接列表用作堆栈、队列或双端队列。


此类实现 Deque 接口,为 add、poll 提供先进先出队列操作,以及其他堆栈和双端队列操作。


所有操作都是按照双重链接列表的需要执行的。在列表中编索引的操作将从开头或结尾遍历列表(从靠近指定索引的一端)。


注意,此实现不是同步的。如果多个线程同时访问一个链接列表,而其中至少一个线程从结构上修改了该列表,则它必须 保持外部同步。(结构修改指添加或删除一个或多个元素的任何操作;仅设置元素的值不是结构修改。)这一般通过对自然封装该列表的对象进行同步操作来完成。如果不存在这样的对象,则应该使用 Collections.synchronizedList 方法来“包装”该列表。最好在创建时完成这一操作,以防止对列表进行意外的不同步访问,如下所示:


                    List list = Collections.synchronizedList(new LinkedList(...));

此类的 iterator 和 listIterator 方法返回的迭代器是快速失败 的:在迭代器创建之后,如果从结构上对列表进行修改,除非通过迭代器自身的 remove 或 add 方法,其他任何时间任何方式的修改,迭代器都将抛出 ConcurrentModificationException。因此,面对并发的修改,迭代器很快就会完全失败,而不冒将来不确定的时间任意发生不确定行为的风险。


注意,迭代器的快速失败行为不能得到保证,一般来说,存在不同步的并发修改时,不可能作出任何硬性保证。快速失败迭代器尽最大努力抛出 ConcurrentModificationException。因此,编写依赖于此异常的程序的方式是错误的,正确做法是:迭代器的快速失败行为应该仅用于检测程序错误。


2. LinkedList的实现:

Java代码

private transient Entry<E> header = new Entry<E>(null, null, null);   

 


 这个成员变量是LinkedList的关键,它在链表中没有实际数据意义,是链表的标示(通俗一点就是链表的第一个无意义的元素),而且被修饰为transient,标示着他不会被序列化。header也可以当做队列末尾的元素,因为是双向列表,所以header.next末尾元素后边的元素就成了队首元素,header.previous就是队尾元素了,看一下它的添加方法


 Java代码 

public void addFirst(E paramE) {  

    addBefore(paramE, this.header.next);//队首  

}  

public void addLast(E paramE) {  

    addBefore(paramE, this.header);//队尾  

}  

 以上两个方法都利用addBefore方法将元素添加到指定对象之前,


 addFirst向队头加元素,将元素paramE添加到header.next-队首元素之前;


 addLast向队尾加元素,将元素paramE添加到header之前;


         再看一下addBefore(E e,Entry<E> entry)函数


Java代码  

/*** 

 * 要添加的元素:paramE

 * 目标对象:paramEntry

 */  

private Entry<E> addBefore(E paramE, Entry<E> paramEntry)  

{  

    //要添加的对象  

    Entry localEntry = new Entry(paramE, paramEntry, paramEntry.previous);  

    /*** 

     * localEntry.previous = paramEntry.previous 

     * 目标对象的前一元素的后一元素(localEntry.previous.next)设置为要添加的对象 

     */  

    localEntry.previous.next = localEntry;  

    /*** 

     * localEntry.next = paramEntry 

     * 目标对象的前一元素(localEntry.next.previous)设置为要添加的对象 

     */  

    localEntry.next.previous = localEntry;  

    this.size += 1;  

    this.modCount += 1;  

    return localEntry;  

}  

 

链表的基本特性是插入速度快,遍历速度慢,下面两个方法可以反映这个特点


Java代码  

public int indexOf(Object paramObject) {  

    int i = 0;  

    Entry localEntry;  

    /*** 

     * 遍历规则:从头到尾,序列呈升序状态 

     */  

    if (paramObject == null)  

        for (localEntry = this.header.next; localEntry != this.header; localEntry = localEntry.next) {  

            if (localEntry.element == null)  

                return i;  

            i++;  

        }  

    else {  

        for (localEntry = this.header.next; localEntry != this.header; localEntry = localEntry.next) {  

            if (paramObject.equals(localEntry.element))  

                return i;  

            i++;  

        }  

    }  

    return -1;  

}  

public int lastIndexOf(Object paramObject) {  

    int i = this.size;  

    Entry localEntry;  

    /*** 

     * 遍历规则:从尾到头,序列呈降序状态 

     */  

    if (paramObject == null) {  

        for (localEntry = this.header.previous; localEntry != this.header; localEntry = localEntry.previous) {  

            i--;  

            if (localEntry.element == null)  

                return i;  

            }  

    }else {  

        for (localEntry = this.header.previous; localEntry != this.header; localEntry = localEntry.previous) {  

            i--;  

            if (paramObject.equals(localEntry.element))  

                return i;  

        }  

    }  

    return -1;  

}  

 值得注意的是,链表插入数据速度快的说法是相对的,在数据量很小的时候,ArrayList的插入速度不仅不比LinkedList慢,而且还快很多(本文不作介绍,读者可自行测试),只有当数据量达到一定量,这个特性才会体现出来,这需要开发者明确需求场景


LinkedList的方法entry(int index)类似ArrayList的get(int index)


 


Java代码  

/*** 

 * 根据序号获取Entry对象 

 */  

private Entry<E> entry(int paramInt) {  

    if ((paramInt < 0) || (paramInt >= this.size)) {  

        throw new IndexOutOfBoundsException("Index: " + paramInt + ", Size: " + this.size);  

    }  

    Entry localEntry = this.header;  

    int i;  

    /*** 

     * 二分法:目标序号小于Size的1/2,则从头到尾 

     *             如果大于Size的1/2,则从尾到头 

     */  

    if (paramInt < this.size >> 1) {  

        for (i = 0; i <= paramInt; i++)  

            localEntry = localEntry.next;  

    } else {  

        for (i = this.size; i > paramInt; i--)  

            localEntry = localEntry.previous;  

    }  

    return localEntry;  

}  

LinkedList还提供了降序迭代器,如下


 


Java代码  

public Iterator<E> descendingIterator()   {  

        return new DescendingIterator(null);  

    }  

 


关于降序迭代的具体实现可以看看源码,很简单


LinkedList是针对链表操作的一个比较全的实现,对于频繁的数据插入有较高效率,研究其具体实现可更有利于准确的使用它。该类的toArray、clone以及其他一些方法很值得参考。


3. LinkedList.Entry

LinkedList的内部类Entry是实现Deque接口的基本操作单元,其结构如下:


Java代码  

private static class Entry<E>  

{  

    E element;  

    Entry<E> next;  

    Entry<E> previous;  

    /*** 

     * 构造方法:目标对象paramE将被放置在paramEntry1之前,paramEntry2之后 

     */  

    Entry(E paramE, Entry<E> paramEntry1, Entry<E> paramEntry2)  

    {  

        this.element = paramE;  

        this.next = paramEntry1;  

        this.previous = paramEntry2;  

    }  

}  

4. 内部迭代器:ListItr

虽然上层父类AbstractList<E>已经实现了迭代器,但LinkedList的直接父类AbstractSequentialList<E>给子类重新定义个一个需要实现的迭代器的抽象方法,代码如下:


Java代码  

public abstract class AbstractSequentialList<E> extends AbstractList<E> {  

    /*** 

     * 返回子类实现的迭代器 

     */  

    public Iterator<E> iterator() {  

        return listIterator();  

    }  

    public abstract ListIterator<E> listIterator(int paramInt);  

}  

 

此处实现的迭代器内部机制跟AbstractList基本一致,可以看看源码


此类的迭代器的实现机制可以通过ListItr的remove方法来分析,同时也可分析Java对双端队列的处理办法

 

Java代码  

/*** 

 * 当前指针位置:this.next

 * 当前所操作的对象:this.lastReturned

 */  

public void remove() {  

    checkForComodification();  

    LinkedList.Entry localEntry = this.lastReturned.next;  

    try {  

        LinkedList.this.remove(this.lastReturned);  

    } catch (NoSuchElementException localNoSuchElementException) {  

        throw new IllegalStateException();  

    }  

    /*** 

     * 当链表的size为0,指针会指向this.header,其他方法(如set方法)将以此判断当前操作对象的状态 

     */  

    if (this.next == this.lastReturned)  

        this.next = localEntry;  

    else  

        this.nextIndex -= 1;  

    /*** 

     * 调用LinkedList.this.remove(E)之后 

     * 当前操作对象this.lastReturned指向的对象被设置为this.header(原对象为null) 

     * 指针移动到this.lastReturned.next 

     */  

    this.lastReturned = LinkedList.this.header;  

    //修改次数加1  

    this.expectedModCount += 1;  


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