9.2 剖析LinkedList

发表于 2021-12-04 更新于 2021-12-07 分类于 9 Java编程的逻辑， 3第三部分泛型与容器，第9章列表和队列 Waline：本文字数： 8.5k 阅读时长 ≈ 8 分钟

9.2 剖析LinkedList

ArrayList随机访问效率很高，但插入和删除性能比较低；LinkedList同样实现了List接口，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。

9.2.1 用法

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：

1 2	public LinkedList() public LinkedList(Collection<? extends E> c)

比如，可以这么创建：

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

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，本节不再赘述。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当作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());
}

输出有三行，依次为a、b和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：

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

解释如下。
1）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。
2）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NoSuch-ElementException。
3）peek查看栈头部元素，不修改栈，如果栈为空，返回null。

把LinkedList当作栈使用也很简单，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());
}

输出有三行，依次为c、b和a。

Java中有一个类Stack，单词意思是栈，它也实现了栈的一些方法，如push/pop/peek等，但它没有实现Deque接口，它是Vector的子类，它增加的这些方法也通过synchronized实现了线程安全，具体就不介绍了。不需要线程安全的情况下，推荐使用LinkedList或下节介绍的ArrayDeque。

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：

1	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

简单总结下：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，可以把它看作队列、栈、双端队列，方便地在两端进行操作。如果只是用作List，那应该用ArrayList还是LinkedList呢？我们需要了解LinkedList的实现原理。

9.2.2 实现原理

我们先来看LinkedList的内部组成，然后分析它的一些主要方法的实现，代码基于Java 7。

1．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，确切地说，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指向后一个节点，prev指向前一个节点。

LinkedList内部组成就是如下三个实例变量：

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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。

2. 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++;
}

代码的基本步骤如下。
1）创建一个新的节点newNode。l和last指向原来的尾节点，如果原来链表为空，则为null。代码为：

1	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：

1	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进行介绍。比如，代码为：

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

执行完第一行后，内部结构如图9-1所示。

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图9-1 LinkedList对象内部结构：初始状态

添加完“a”后，内部结构如图9-2所示。

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图9-2 LinkedList对象内部结构：添加一个元素后

添加完“b”后，内部结构如图9-3所示。

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图9-3 LinkedList对象内部结构：添加两个元素后

可以看出，与ArrayList不同，Linked-List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。

3．根据索引访问元素get

添加了元素，如何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，则抛出异常，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，可以根据索引直接定位，而在LinkedList中，则必须从头或尾顺着链接查找，效率比较低。

4．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。

5．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：

1	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表示前驱节点，目标是在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：

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

2）让后继的前驱指向新节点。代码为：

1	succ.prev = newNode;

3）让前驱的后继指向新节点，如果前驱为空，那么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。我们通过图示来进行介绍。还是上面的例子，比如，添加一个元素：

1	list.add(1, "c");

内存结构如图9-4所示。

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图9-4 LinkedList对象内部结构：在中间插入元素后

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。

6．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）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）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。

通过图示进行说明。还是上面的例子，如果删除一个元素：

1	list.remove(1);

内存结构如图9-5所示。

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图9-5 LinkedList对象内部结构：删除元素后

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。

9.2.3 LinkedList特点分析

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，LinkedList内部是一个双向链表，并维护了长度、头节点和尾节点，这决定了它有如下特点。
1）按需分配空间，不需要预先分配很多空间。
2）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)。
3）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)。
4）在两端添加、删除元素的效率很高，为O(1)。
5）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，就能比较容易地进行选择了，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是比较理想的选择。