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    面试老被问LinkedList源码?看看阿里技术官是怎么深度剖析的吧!

    作者: 栏目:未分类 时间:2020-09-11 14:00:47

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    相关新闻:借版权之名、行诈骗之实,周某因犯诈骗罪被判处有期徒刑十一年六个月

    叹!百花齐放的时代,渐行渐远!



    前言

    LinkedList底层是基于双向链表,链表在内存中不是连续的,而是通过引用来关联所有的元素,所以链表的优点在于添加和删除元素比较快,因为只是移动指针,并且不需要判断是否需要扩容,缺点是查询和遍历效率比较低。下面会给大家详细的剖析一下底层源码!

    结构

    LinkedList 继承关系,核心成员变量,主要构造函数:

        public class LinkedList<E>
            extends AbstractSequentialList<E>
            implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable {
    
         	// Node,双向链表
            private static class Node<E> {
                E item;// 节点值
                Node<E> next; // 指向的下一个节点
                Node<E> prev; // 指向的前一个节点
    
                // 初始化参数顺序分别是:前一个节点、本身节点值、后一个节点
                Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
                    this.item = element;
                    this.next = next;
                    this.prev = prev;
                }
        	}
    
        	//------------------------成员变量-------------------------------------
    
        	transient int size = 0;
    
        	// 记录头结点,它的前一个结点=null
            transient Node<E> first;
    
        	// 记录尾结点,它的后一个结点=null
        	// 当 first = last = null时表示链表为空
        	// 当 first = last != null时表示只有一个节点
            transient Node<E> last;
    
            //--------------------------构造方法-------------------------------------
    
            public LinkedList() {
            }
    
             public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
                this();
                addAll(c);
            }
    
            // ........
        }
    
    

    方法解析&api

    追加

    追加节点时,我们可以选择追加到链表头部,还是追加到链表尾部,add 方法默认是从尾部开始追加,addFirst 方法是从头部开始追加,我们分别来看下两种不同的追加方式:

    -add()

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

    --linkLast()

        /**
         * 尾插
         * newNode.pre = last
         * last.next = newNode   注:考虑last=null情况(链表为空,这时仅更新头结点即可)
         * last = newNode
        */
        void linkLast(E e) {
            // 把尾节点数据暂存,为last.next做准备,其实改变一下顺序就可以不要这个l了
            final Node<E> l = last;
    
            final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null); // 1
            last = newNode; // 2
    
            // 空链表,l=null,l.next报空指针
            if (l == null)
                first = newNode;
            else
                l.next = newNode; // 3
    
            // size和版本更改
            size++;
            modCount++;
        }
    
    

    -addFirst()

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

    --linkFirst()

        /**
        * 头插
        * newNode.next = first;
        * first.prev = newNode;  注:考虑first=null(链表为空,只用更新last即可)
        * first = newNode;
        */
        private void linkFirst(E e) {
            // 头节点赋值给临时变量
            final Node<E> f = first;
    
            final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f); // 1
    
            first = newNode;  // 2
    
            // 链表为空,f=null, f.prev报空指针
            if (f == null)
                last = newNode;
            else
                f.prev = newNode;  // 3
    
            // 更新size和版本号
            size++;
            modCount++;
        }
    
    

    删除

    节点删除的方式和追加类似,我们可以删除指定元素,或者从头部(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

    -remove()

        /**
        *删除指定元素;找到要删除的节点
        *注:只有链表有这个节点且成功删除才返回true
        */
        public boolean remove(Object o) { 
                if (o == null) {
                    for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
                        // null用 == 判断
                        if (x.item == null) {
                            unlink(x);
                            return true;
                        }
                    }
                } else {
                    for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
                        // 调用equals判断,若传入的类无equals需要重写
                        if (o.equals(x.item)) {
                            unlink(x);
                            return true;
                        }
                    }
                }
                return false;  // 链表无要删除元素,或链表为空
        }
    
    

    注:remove还可以根据索引删除

        public E remove(int index) { 
                checkElementIndex(index); // 链表为空,抛出异常
                return unlink(node(index));
        }
    
    
        /**
        * 执行删除
        * x.prev.next = x.next        注:考虑x.prev=null(x是first,直接更新first)
        * x.next.prev = x.prev.prev   注:考虑x.next=null(x是last,直接更新last)
        */
        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;
    
             	// 如果prev=null,则当前节点为头结点
                if (prev == null) {
                    // 直接将头结点赋成next
                    first = next;
                } else {
                    prev.next = next; // 1
                    x.prev = null; // 帮助 GC 回收该节点
                }
    
             	// 如果next=null,则当前节点为尾结点
                if (next == null) {
                    last = prev;
                } else {
                    next.prev = prev; // 2
                    x.next = null; // 帮助 GC 回收该节点
                }
    
                x.item = null; // 帮助 GC 回收该节点
    
             	// 修改size及版本
                size--;
                modCount++;
    
                return element;
            }
    
    

    -remove()

        /**
        *删除头节点,队列为空时抛出异常
        */
        public E remove() {
                return removeFirst();
        }
    
    

    -removeFirst()

        /**
        *删除头节点
        */
        public E removeFirst() {
                final Node<E> f = first;
                if (f == null)
                    throw new NoSuchElementException();
                return unlinkFirst(f);
         }
    
    

    --unLinkFirst()

        /**
        * 执行删除头节点
        * first.next.pre = null;  注:考虑first=null(链表为空), first.next=null(尾结点,即链表仅一个节点)
        * first = first.next;
        */
        private E unlinkFirst(Node<E> f) {
    
            final E element = f.item; // 拿出头节点的值,作为方法的返回值
            final Node<E> next = f.next; // 拿出头节点的下一个节点
    
            //帮助 GC 回收头节点
            f.item = null;
            f.next = null;
    
            first = next;  // 1
    
            // next为空表示链表只有一个节点
            if (next == null)
                last = null;
            else
                next.prev = null; // 2
    
            //修改链表大小和版本
            size--;
            modCount++;
            return element;
        }
    
    

    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。

    查询

    链表查询某一个节点是比较慢的,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

    -get()

        /**
        *根据索引进行查找
        */
        public E get(int index) {
                checkElementIndex(index);
                return node(index).item;
        }
    
    

    --node()

        Node<E> node(int index) {
            // 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。
            if (index < (size >> 1)) {
                // 取头节点
                Node<E> x = first;
                // 直到 for 循环到 index 的前一个 node 停止
                for (int i = 0; i < index; i++)
                    x = x.next;
                return x;
            } else {// 如果 index 处于队列的后半部分,从尾开始找
                // 取尾结点
                Node<E> x = last;
                // 直到 for 循环到 index 的后一个 node 停止
                for (int i = size - 1; i > index; i--)
                    x = x.prev;
                return x;
            }
        }
    
    

    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

    迭代器

    因为 LinkedList 要实现双向的迭代访问,所以使用 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

    -listIterator()

        /**
        *从指定节点开始迭代,可前可后
        */
        public ListIterator<E> listIterator(int index) {
            checkPositionIndex(index);
            return new ListItr(index);
        }
    
        /**
        *ListItr,双向迭代器
        */
        private class ListItr implements ListIterator<E> {
            private Node<E> lastReturned;//上一次执行 next() 或者 previos() 方法时的节点位置
            private Node<E> next;//下一个节点
            private int nextIndex;//下一个节点的位置
            //expectedModCount:期望版本号;modCount:目前最新版本号
            private int expectedModCount = modCount;
    
            ListItr(int index) {
                  // assert isPositionIndex(index);
                  next = (index == size) ? null : node(index);
                  nextIndex = index;
            }
        }
    
    

    --hasNext()

    从前向后迭代

        // 判断还有没有下一个元素,还是通过index和size控制
        public boolean hasNext() {
            return nextIndex < size;// 下一个节点的索引小于链表的大小,就有
        }
    
    

    ---next()

        // 取下一个元素,并后移
        public E next() {
            //检查期望版本号有无发生变化
            checkForComodification();
            if (!hasNext())//再次检查
                throw new NoSuchElementException();
            // next 是当前节点,在上一次执行 next() 方法时被赋值的。
            // 第一次执行时,是在初始化迭代器的时候,next 被赋值的
            lastReturned = next;
            // next 是下一个节点了,为下次迭代做准备
            next = next.next;
            nextIndex++;
            return lastReturned.item;
        }
    
    

    --hasPrevious()

    从后向前迭代

        // 如果上次节点索引位置大于 0,就还有节点可以迭代
        public boolean hasPrevious() {
            return nextIndex > 0;
        }
    
    

    ---previous()

        public E previous() {
            checkForComodification();
            if (!hasPrevious())
                throw new NoSuchElementException();
            // 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
            // 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)
            lastReturned = next = (next == null) ? last : next.prev;
            // 索引位置变化
            nextIndex--;
            return lastReturned.item;
        }
    
    

    ----remove()

        /**
        *迭代时,删除当前元素
        */
        public void remove() {
            checkForComodification();
            // lastReturned 是本次迭代需要删除的值,分以下空和非空两种情况:
            // lastReturned 为空,说明调用者没有主动执行过 next() 或者 previos(),直接报错
            // lastReturned 不为空,是在上次执行 next() 或者 previos()方法时赋的值
            if (lastReturned == null)
                throw new IllegalStateException();
            Node<E> lastNext = lastReturned.next;
            //删除当前节点
            unlink(lastReturned);
            // 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
            // 这种情况下,previous()方法里面设置了 lastReturned=next=last,所以 next 和l astReturned 会相等
            if (next == lastReturned)
                // 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
                next = lastNext;
            else
                nextIndex--;
            lastReturned = null;
            expectedModCount++;
        }
    
    

    Queue的实现

    LinkedList 实现了 Queue 接口,在新增、删除、查询等方面增加了很多新的方法,这些方法在平时特别容易混淆,在链表为空的情况下,返回值也不太一样,下面列一个表格,方便大家记录:

    PS:Queue 接口注释建议 add 方法操作失败时抛出异常,但 LinkedList 实现的 add 方法一直返回 true。
    LinkedList 也实现了 Deque 接口,对新增、删除和查找都提供从头开始,还是从尾开始两种方向的方法,比如 remove 方法,Deque 提供了 removeFirst 和 removeLast 两种方向的使用方式,但当链表为空时的表现都和 remove 方法一样,都会抛出异常。

    最后

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