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关于面试:我们一起学集合LinkedList

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1. 前言

明天咱们要钻研的汇合是 LinkedList，在咱们学习LinkedList 之前，咱们先看看 LinkedList 的相干面试题。

1.LinkedList的构造。
2.LinkedList插入元素的具体过程。
3.LinkedList和 ArrayList 的区别。
4.……

这些面试题都是考查咱们对链表这种构造是否有理解，是否有看过相干源码实现；只有看过源码，这些问题答复起来很是轻松；废话不多说，让咱们一起来看看 LinkedList 的源码实现。

2. 概述

LinkedList 底层实现是一个双向链表，这种构造非常适合队列 (先入先出) 和栈 (先入后出) 的操作；并且他实现了 List 和Deque接口，所以它不仅有列表的操作还有队列相干的操作；其实现的队列和栈的出队入队，出栈入栈操作工夫复杂度均为O(1)，如下是其构造示意图：

3. 类图

  • AbstractSequentialList 抽象类，提供了 List 接口的相干实现和迭代逻辑的实现，不过对 LinkedList 意义不大，因为 LinkedList 大量重写了其中的实现
  • List 接口，定义了数组的增删改查迭代遍历等相干操作。
  • Cloneable 接口，反对 LinkedList 克隆
  • Serializabel 接口，反对 LinkedList 序列化与反序列化
  • Deque接口，定义了队列两端插入和删除元素的相干操作。

4. 属性

首先让咱们看看源码中的定义：

public class LinkedList<E> extends AbstractSequentialList<E>
    implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable
{// 链表大小(贮存元素的个数)
    transient int size = 0;

    // 头结点
    transient Node<E> first;

    // 尾结点
    transient Node<E> last;

    // 贮存元素的类(节点)
    private static class Node<E> {
        // 理论贮存的元素
        E item;
        // next 节点
        Node<E> next;
        // prev 节点
        Node<E> prev;

        Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
            this.item = element;
            this.next = next;
            this.prev = prev;
        }
    }
    // 该属性是通过继承 AbstractList 得来, 列表批改的次数(版本号)
    protected transient int modCount = 0;
}
  • Node 是链表中贮存数据的节点，他有三个属性item（存储元素），next（指向下一个节点），prev（指向上一个节点）。
  • size 双向链表的节点个数。
  • first 双向链表头，头节点的 prev 指向null。
  • last 双向链表尾，尾节点的 next 指向null。
  • modCount 版本号，记录批改次数。

5. 罕用办法

5-1. 新增

LinkedList的新增分三类：首节点新增，指定索引节点新增，尾节点新增。首先，看看对 List\` 接口实现的新增：

// 将指定的元素追加到此列表的开端。此办法等效于 addLast（E）。public boolean add(E e) {linkLast(e);
    return true;
}
// 将元素增加到列表尾
void linkLast(E e) {
    // 预存尾结点
    final Node<E> l = last; 
    final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
    last = newNode;
    // 判断是否为第一个插入的节点
    if (l == null) 
        first = newNode;
    else
        l.next = newNode;
    size++;
    modCount++;
}

如图咱们能够晓得，在向开端增加元素时先预存了 last 节点，而后结构新节点 newNode 并连贯到以后尾节点，而后在更新 newNode 节点为 last 节点，最初在将节点连贯实现。

指定索引节点新增：

// 将指定的元素插入此列表中的指定地位。将以后在该地位的元素（如果有）和任何后续元素右移（将其索引加一）。public void add(int index, E element) {checkPositionIndex(index);
    // 小优化
    if (index == size)
        linkLast(element);
    else
        linkBefore(element, node(index));
}
// 返回指定元素索引处的（非空）节点。Node<E> node(int index) {// assert isElementIndex(index);
    // 小优化，一次二分查找
    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;
    }
}
// 在非 null 节点 succ 之前插入元素 e
void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
    // assert succ != null;
    // 预存上一位节点
    final Node<E> pred = succ.prev; 
    final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
    // 链接新节点
    succ.prev = newNode; 
    // 判断 succ 是否为头节点
    if (pred == null) 
        first = newNode;
    else
        pred.next = newNode;
    size++;
    modCount++;
}

如图咱们能够晓得，在指定索引地位增加元素时有 5 步：

  • 通过 node(int index) 办法找到指定索引节点succ
  • 先预存指定索引节点 succ 的prev节点为pred
  • 构建新节点 newNode 并连贯指定索引节点 succ 的prev节点和指定索引节点succ
  • 将指定索引节点 succ 的prev指向 newNode 节点
  • 将预存的 prev 节点 pred 的next节点指向 newNode 节点

通过源码咱们还能够晓得，node(int index)(指定索引查找节点)办法有个小优化

// 返回指定元素索引处的（非空）节点。Node<E> node(int index) {// assert isElementIndex(index);
    // 小优化，一次二分查找
    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;
    }
}

它通过 一次二分的形式，定位了索引在前半段还是后半段，缩小了一半的查问工夫，进步了查问效率。

上面是增加汇合到链表的办法，插入方式和下面根本类似。

// 将指定汇合中的所有元素追加到此列表的开端，依照指定汇合的迭代器返回它们的程序。public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {return addAll(size, c);
}

// 从指定地位开始，将指定汇合中的所有元素插入此列表。// 将以后在该地位的元素（如果有）和任何后续元素右移（减少其索引）// 新元素将依照指定汇合的迭代器返回的程序显示在列表中。public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {checkPositionIndex(index); // 查看插入地位是否非法

    Object[] a = c.toArray();
    int numNew = a.length;
    if (numNew == 0)
        return false;
    // 贮存上一位元素和以后 index 地位的元素
    Node<E> pred, succ;
    if (index == size) {
        succ = null;
        pred = last;
    } else {succ = node(index);
        pred = succ.prev;
    }

    for (Object o : a) {
        // 结构元素
        @SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) o;
        Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, null);
        // 链接到链表
        if (pred == null)
            first = newNode;
        else
            pred.next = newNode;
        pred = newNode;
    }

    if (succ == null) {last = pred;} else {
        pred.next = succ;
        succ.prev = pred;
    }

    size += numNew;
    modCount++;
    return true;
}

LinkedList不仅实现了 List 接口，还实现了 Deque 接口，上面看看 Deque 接口的实现：

// 将指定的元素插入此列表的结尾。public void addFirst(E e) {linkFirst(e);
}
// 将元素增加到列表头
private void linkFirst(E e) {
    // 预存头结点
    final Node<E> f = first; 
    // 结构新节点
    final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f); 
    // 新节点降级为头节点
    first = newNode;
    // 将新节点和链表链接
    // 判断是否为第一个插入的节点
    if (f == null) 
        last = newNode;
    else
        f.prev = newNode;
    size++; // 链表大小加一
    modCount++; // 版本号加一
}

// 将指定的元素追加到此列表的开端。此办法等效于 add（E）。public void addLast(E e) {linkLast(e);
}
// 将元素增加到列表尾
void linkLast(E e) {
    // 预存尾结点
    final Node<E> l = last; 
    final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
    last = newNode;
    // 判断是否为第一个插入的节点
    if (l == null) 
        first = newNode;
    else
        l.next = newNode;
    size++;
    modCount++;
}

// 将指定的元素增加为此列表的尾部（最初一个元素）。public boolean offer(E e) {return add(e); // add(E e)->linkLast(E e)
}

// 将指定的元素插入此列表的后面。public boolean offerFirst(E e) {addFirst(e); // addFirst(E e)->linkFirst(E e)
    return true;
}

// 将指定的元素插入此列表的开端。public boolean offerLast(E e) {addLast(e); // addLast(E e)->linkLast(E e)
    return true;
}

// 将元素压入此列表示意的堆栈。换句话说，将元素插入此列表的后面。此办法等效于 addFirst（E）。public void push(E e) {addFirst(e); // addFirst(E e)->linkFirst(E e)
}

通过源码咱们发现 LinkedList 实现 Deque 接口的插入最终都是调用 linkFirst(E e) 和linkLast(E e)，其插入过程在源码中以具体正文。

5-2. 删除

首先咱们看看 LinkedList 对List接口的实现：对指定元素对象删除和对指定节点删除

// 如果存在指定元素，则从该列表中删除该元素的第一次呈现。// 如果此列表不蕴含该元素，则它放弃不变。// 如果此列表蕴含指定的元素，则返回 true。public boolean remove(Object o) {if (o == null) { // null 值非凡解决
        for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {if (x.item == null) {unlink(x);
                return true;
            }
        }
    } else {for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {if (o.equals(x.item)) { // 自定义元素对象，留神重写 equals
                unlink(x);
                return true;
            }
        }
    }
    return false;
}

// 勾销链接 x 节点
E unlink(Node<E> x) {
    // assert x != null;
    // 预存 x 节点 Item
    final E element = x.item; 
    // 预存 x 节点下一位节点
    final Node<E> next = x.next; 
    // 预存 x 节点上一位节点
    final Node<E> prev = x.prev; 

    // x 的上一位节点链接 x 的下一位节点
    if (prev == null) {first = next;} else {
        prev.next = next;
        x.prev = null;
    }
    // x 的下一位节点链接 x 的上一位节点
    if (next == null) {last = prev;} else {
        next.prev = prev;
        x.next = null;
    }

    x.item = null;
    size--;
    modCount++;
    return element;
}

// 删除此列表中指定地位的元素。将所有后续元素向左挪动（从其索引中减去一个）。返回从列表中删除的元素。public E remove(int index) {checkElementIndex(index);
    return unlink(node(index));
}

通过源码发现，最终删除都是通过 unlink(Node<E> x) 来实现，过程如下图：

咱们再来看看 LinkedList 对Deque接口的实现:

// 检索并删除此列表的头（第一个元素）。public E remove() {return removeFirst(); // -> unlinkFirst(f)
}

// 从此列表中删除并返回第一个元素。public E removeFirst() {
    final Node<E> f = first;
    if (f == null)
        throw new NoSuchElementException();
    return unlinkFirst(f);
}

// 勾销链接非空的第一个节点 f
private E unlinkFirst(Node<E> f) {
    // assert f == first && f != null;
    // 预存 first 节点的 Item
    final E element = f.item; 
    // 预存第二个节点
    final Node<E> next = f.next; 
    f.item = null;
    f.next = null; // help GC
    // 移除第一个节点
    first = next; 
    // 连贯节点
    if (next == null)
        last = null;
    else
        next.prev = null;
    size--;
    modCount++;
    return element;
}

// 从此列表中删除并返回最初一个元素。public E removeLast() {
    final Node<E> l = last;
    if (l == null)
        throw new NoSuchElementException();
    return unlinkLast(l);
}
// 勾销链接非空的最初一个节点 l
private E unlinkLast(Node<E> l) {
    // assert l == last && l != null;
    // 预存 last 节点 Item
    final E element = l.item; 
    // 预存倒数第二个节点
    final Node<E> prev = l.prev; 
    l.item = null;
    l.prev = null; // help GC
    // 移除最初一个节点
    last = prev;
    // 连贯
    if (prev == null)
        first = null;
    else
        prev.next = null;
    size--;
    modCount++;
    return element;
}

// 检索并删除此列表的第一个元素，如果此列表为空，则返回 null。public E pollFirst() {
    final Node<E> f = first;
    return (f == null) ? null : unlinkFirst(f);
}

// 检索并删除此列表的最初一个元素，如果此列表为空，则返回 null。public E pollLast() {
    final Node<E> l = last;
    return (l == null) ? null : unlinkLast(l);
}

// 检索并删除此列表的头（第一个元素）。public E poll() {
    final Node<E> f = first;
    return (f == null) ? null : unlinkFirst(f);
}

从源码中咱们能够晓得 LinkedList 对Deque的删除实现, 最终都都是调用的 unlinkFirst(Node<E> f) 和unlinkLast(Node<E> l)，其移除过程在源码中有具体正文。

5-3. 批改

老规矩，还是先看看源码实现：

// 用指定的元素替换此列表中指定地位的元素。public E set(int index, E element) {checkElementIndex(index);
    // 返回指定元素索引处的（非空）节点。Node<E> x = node(index);
    E oldVal = x.item;
    x.item = element;
    return oldVal;
}

LinkedList实现的批改过程非常简略：

  • 首先查看索引是否非法>=0&&<size。
  • 其次通过 node(int index) 找到要批改的节点。
  • 最初批改item，返回旧值。

5-4. 查问

LinkedList对 List 接口的查问实现包含：通过索引查问和通过元素查问(从前往后和从后往前)

// 返回此列表中指定地位的元素。public E get(int index) {checkElementIndex(index);
    return node(index).item;
}

// 如果此列表蕴含指定的元素，则返回 true。// 更正式地说，当且仅当此列表蕴含至多一个元素（e == null？e == null：o.equals（e））时，返回 true。public boolean contains(Object o) {return indexOf(o) != -1;
}

// 返回指定元素在此列表中首次呈现的索引；如果此列表不蕴含该元素，则返回 -1。// 更正式地，返回最低索引 i，使其（o == null？get（i）== null：o.equals（get（i）））;
// 如果没有这样的索引，则返回 -1。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;
}

// 返回指定元素在此列表中最初一次呈现的索引；如果此列表不蕴含该元素，则返回 -1。public int lastIndexOf(Object o) {
    int index = size;
    if (o == null) {for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) {
            index--;
            if (x.item == null)
                return index;
        }
    } else {for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) {
            index--;
            if (o.equals(x.item))
                return index;
        }
    }
    return -1;
}

LinkedList对 Deque 接口的查问实现：

// 检索但不删除此列表的头（第一个元素）public E peek() {
    final Node<E> f = first;
    return (f == null) ? null : f.item;
}

// 检索但不删除此列表的第一个元素，如果此列表为空，则返回 null。public E peekFirst() {
    final Node<E> f = first;
    return (f == null) ? null : f.item;
}

// 检索但不删除此列表的最初一个元素，如果此列表为空，则返回 null。public E peekLast() {
    final Node<E> l = last;
    return (l == null) ? null : l.item;
}

6. 总结

从源码中咱们能够看出链表实现队列和栈十分有劣势，只须要对表头和表尾进行操作既可。而且 LinkedList 的属性刚好保留了头和尾的援用，所以整个操作都是 O(1) 的工夫复杂度。

当初咱们在来看看最开始的面试题:

1.LinkedList的构造。
2.LinkedList插入元素的具体过程。
3.LinkedList和 ArrayList 的区别。

通过源码的学习 1,2 两个题目能够很轻松的答复，咱们重点钻研第 3 个问题：LinkedList和 ArrayList 的区别。

通过上一篇《咱们一起学汇合》-ArrayList文章的学习，咱们能够晓得 ArrayList 底层是基于数组实现的反对动静扩容的一种数据结构

，他随机拜访快，随机插入和删除慢 (因为会挪动元素) 和LinkedList的区别有：

  • 构造不同：ArrayList是基于数组，LinkedList是基于节点Node
  • 效率不同：ArrayList随机拜访比 LinkedList 效率高，因为 LinkedList 必须每次从头遍历查找
  • 贮存不同：ArrayList须要大量的间断贮存空间，并且在间断扩容后会产生较多存碎片，而 LinkedList 不须要间断的贮存空间，这意味着它能够应用更多内存，但它贮存每个元素耗费的内存也更多，因为他必须放弃每个节点的 prev 和next援用。

从实践上讲 ArrayList 删除一个元素的效率是比 LinkedList 低，应为 ArrayList 删除一个不是开端的元素会产生元素拷贝，而 LinkedList 删除一个元素只是批改前后节点的援用。

从实践上讲是这样，但在理论中，因为古代计算机体系结构的缘故 (cpu 缓存)，在简直所有可能的用例中，ArrayList 的效率都将大大提高。次要是 LinkedList 的节点随机散布在整个内存中。RAM（“随机拜访内存”）并不是真正随机的，须要获取内存块以进行缓存。此操作须要工夫，并且当此类获取频繁产生时缓存中的内存页面须要始终替换 -> 缓存未命中 -> 缓存效率不高。 ArrayList元素存储在间断内存中，这更利于缓存。这也正是古代 CPU 体系结构正在优化的内容。

集体认为 ArrayList 和LinkedList的选用是一个简单的问题，须要依据不同的场景和思考后能力决定。集体偏向在个别状况下优先应用ArrayList。

参考文章：

https://stackoverflow.com/que…

https://stackoverflow.com/que…

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