Java集合之LinkedList

本文详细解析了LinkedList的数据结构,包括其实现原理、源码分析以及在不同场景下的时间复杂度。介绍了LinkedList如何利用双向链表实现高效的首尾操作,同时也讨论了中间操作的效率问题。

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1. 简介

       LinkedList是一种以带头尾指针的双向链表实现的 List,与 ArrayList 相比,其插入元素快,不需要将元素向后移动,但是其获取元素却没有 ArrayList 方便。

2. 继承体系

在这里插入图片描述
       通过继承体系,我们可以看到LinkedList不仅实现了List接口,还实现了QueueDeque接口,所以它既能作为List使用,也能作为双端队列使用,当然也可以作为栈使用

3. 深入源码

3.1 属性

	// 链表中节点个数
	transient int size = 0;

  
    // 执行链表头指针 
    transient Node<E> first;

  
     // 指向链表尾指针
    transient Node<E> last;

3.2 内部类

	// 存储元素的节点
	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;
        }
    }

在这里插入图片描述

3.3 构造方法

3.3.1 LinkedList()

	public LinkedList() {
    }

3.3.2 LinkedList(Collection<? extends E> c)

    public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
        this();
        addAll(c);
    }

3.4 添加元素

       首先介绍的方法并不是我们直接能调用的,我们直接调用的方法只是在底层调用下面的方法。

3.4.1 linkFirst(E e)

       在首部添加元素

    private void linkFirst(E e) {
    	// 获得头节点
        final Node<E> f = first;
        // 创建一个带有目标值的节点,此时新节点的next指针指向从前的头节点f
        final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
        // 头指针指向新节点
        first = newNode;
        // 如果只有一个元素,则尾指针指向当前新节点
        if (f == null)
            last = newNode;
        else
        // 令从前的头指针的prev指针指向新节点
            f.prev = newNode;
        // 存储元素个数加+1
        size++;
        modCount++;
    }

3.4.2 linkLast(E e)

       在尾部添加元素

    void linkLast(E e) {
    	// 获得尾节点
        final Node<E> l = last;
        // 创建一个带有目标值的节点,此时新节点的 prev 指针指向从前的尾节点l
        final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
        // 尾指针指向新节点
        last = newNode;
        // 如果只有一个元素,则头指针指向当前新节点
        if (l == null)
            first = newNode;
        else
        // 令从前的尾指针的next指针指向新节点
            l.next = newNode;
        size++;
        // 存储元素个数加+1
        modCount++;
    }

3.4.3 linkBefore(E e, Node succ)

	// 在 succ 节点前面插入 e
    void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
        // assert succ != null;
        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++;
    }

3.4.4 addFirst(E e)

	public void addFirst(E e) {
        linkFirst(e);
    }

3.4.5 addLast(E e)

	public void addLast(E e) {
        linkLast(e);
    }

3.4.6 add(E e)

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

3.4.7 add(int index, E element)

    public void add(int index, E element) {
    	// 检查 index 是否合法
        checkPositionIndex(index);

        if (index == size)
            linkLast(element);
        else
            linkBefore(element, node(index));
    }

	// 从前向后找还是从后向前找,可以减少最少一半的无效遍历次数
    Node<E> node(int index) {
        // assert isElementIndex(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;
        }
    }

3.4.8 offerFirst(E e)

	public boolean offerFirst(E e) {
        addFirst(e);
        return true;
    }

3.4.9 offerLast(E e)

    public boolean offerLast(E e) {
        addLast(e);
        return true;
    }

       在链表首尾添加元素很高效,时间复杂度为O(1)

       在中间添加元素比较低效,首先要先找到插入位置的节点,再修改前后节点的指针,时间复杂度为O(n)

3.5 删除元素

3.5.1 unlinkFirst(Node f)

	// 删除首节点
    private E unlinkFirst(Node<E> f) {
        // assert f == first && f != null;
        // 首节点的元素值
        final E element = f.item;
        // 首节点的next指针
        final Node<E> next = f.next;
        f.item = null;
        f.next = null; // help GC
        first = next;
        if (next == null)
            last = null;
        else
            next.prev = null;
        size--;
        modCount++;
        return element;
    }

3.5.2 unlinkLast(Node l)

    private E unlinkLast(Node<E> l) {
        // assert l == last && l != null;
        final E element = l.item;
        final Node<E> prev = l.prev;
        l.item = null;
        l.prev = null; // help GC
        last = prev;
        if (prev == null)
            first = null;
        else
            prev.next = null;
        size--;
        modCount++;
        return element;
    }

3.5.3 unlink(Node x)

	// 删除指定节点x
    E unlink(Node<E> x) {
        // assert x != null;
        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;
    }

3.5.4 removeFirst()

    public E removeFirst() {
        final Node<E> f = first;
        if (f == null)
            throw new NoSuchElementException();
        return unlinkFirst(f);
    }

3.5.5 removeLast()

    public E removeLast() {
        final Node<E> l = last;
        if (l == null)
            throw new NoSuchElementException();
        return unlinkLast(l);
    }

3.5.6 remove()

    public E remove() {
        return removeFirst();
    }

3.5.7 pollFirst()

    public E pollFirst() {
        final Node<E> f = first;
        return (f == null) ? null : unlinkFirst(f);
    }

3.5.8 pollLast()

    public E pollLast() {
        final Node<E> l = last;
        return (l == null) ? null : unlinkLast(l);
    }

4. 总结

       (1)LinkedList是一个以双向链表实现的List

       (2)LinkedList还是一个双端队列,具有队列、双端队列、栈的特性;

       (3)LinkedList在队列首尾添加、删除元素非常高效,时间复杂度为O(1)

       (4)LinkedList在中间添加、删除元素比较低效,时间复杂度为O(n)

       (5)LinkedList不支持随机访问,所以访问非队列首尾的元素比较低效;

       (6)LinkedList在功能上等于ArrayList +ArrayDeque

       ArrayList代表了List的典型实现,LinkedList代表了Deque的典型实现,同时LinkedList也实现了List,通过这两个类一首一尾正好可以把整个集合贯穿起来。

### JavaLinkedList 集合类 #### 什么是 LinkedList 集合 `LinkedList` 是一种双向链表的数据结构,在 Java 编程中属于 `List` 接口的一种实现形式[^1]。这种数据结构允许元素之间通过指针相互链接,从而形成一个线性的序列。 #### LinkedList 的特性 - **内部实现**:基于双向链表来存储元素,这意味着每个节点不仅保存着自身的数据项还维护着前后相邻结点之间的连接关系。 - **访问速度**:由于不是连续内存分配的方式,因此随机存取效率较低;但在频繁插入删除操作时表现优异因为不需要移动大量现有元素的位置即可完成相应动作[^2]。 #### 如何创建并初始化 LinkedList 对象 为了定义一个具体的实例化对象,可以通过如下方式引入必要的包并且声明带有特定参数化的变量名: ```java import java.util.LinkedList; // 创建 LinkedList 对象,并指定泛型为 String 类型 LinkedList<String> list = new LinkedList<>(); ``` 上述代码片段展示了如何导入所需的库文件以及怎样构建一个新的空列表用于后续的操作处理过程之中[^4]。 #### 常见方法概述 以下是几个常用的 API 方法供开发者调用来管理该类型的容器内的成员: - 添加元素至队列末端或者头部位置; - 移除首尾两端处的目标实体; - 获取第一个或最后一个条目而不将其移出队列之外; - 判断某个给定的对象是否存在于此集合之内等等[^5]。 #### 示例代码展示基本功能的应用场景 下面给出一段简单的例子演示了部分核心函数的具体应用情形: ```java public class Main { public static void main(String[] args) { // 初始化 LinkedList 并加入一些初始值 LinkedList<Integer> numbers = new LinkedList<>(); // 向末尾追加数值 numbers.add(1); numbers.addLast(3); // 插入到开头位置 numbers.addFirst(0); System.out.println("当前内容:" + numbers); // 删除最前面的一个数 Integer removedElement = numbers.remove(); System.out.println("被删掉的是:" + removedElement); // 查看但不取出最后面的数字 int lastNumber = numbers.peekLast(); System.out.println("最后一项是:" + lastNumber); } } ``` 这段程序先建立了一个整数类型的动态数组,接着执行了一系列增减查的动作最终打印出了预期的结果集。
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