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計算機程序的思維邏輯 (39)，思維39

編輯：JAVA綜合教程

計算機程序的思維邏輯 (39)，思維39

上節我們介紹了ArrayList，ArrayList隨機訪問效率很高，但插入和刪除性能比較低，我們提到了同樣實現了List接口的LinkedList，它的特點與ArrayList幾乎正好相反，本節我們就來詳細介紹LinkedList。

除了實現了List接口外，LinkedList還實現了Deque和Queue接口，可以按照隊列、棧和雙端隊列的方式進行操作，本節會介紹這些用法，同時介紹其實現原理。

我們先來看它的用法。

用法

構造方法

LinkedList的構造方法與ArrayList類似，有兩個，一個是默認構造方法，另外一個可以接受一個已有的Collection，如下所示：

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

比如，可以這麼創建：

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

List接口

LinkedList與ArrayList一樣，同樣實現了List接口，而List接口擴展了Collection接口，Collection又擴展了Iterable接口，所有這些接口的方法都是可以使用的，使用方法與上節介紹的一樣，本節就不再贅述了。

隊列 (Queue)

LinkedList還實現了隊列接口Queue，所謂隊列就類似於日常生活中的各種排隊，特點就是先進先出，在尾部添加元素，從頭部刪除元素，它的接口定義為：

public interface Queue<E> extends Collection<E> {
    boolean add(E e);
    boolean offer(E e);
    E remove();
    E poll();
    E element();
    E peek();
}

Queue擴展了Collection，它的主要操作有三個：

在尾部添加元素 (add, offer)
查看頭部元素 (element, peek)，返回頭部元素，但不改變隊列
刪除頭部元素 (remove, poll)，返回頭部元素，並且從隊列中刪除

每種操作都有兩種形式，有什麼區別呢？區別在於，對於特殊情況的處理不同。特殊情況是指，隊列為空或者隊列為滿，為空容易理解，為滿是指隊列有長度大小限制，而且已經占滿了。LinkedList的實現中，隊列長度沒有限制，但別的Queue的實現可能有。

在隊列為空時，element和remove會拋出異常NoSuchElementException，而peek和poll返回特殊值null，在隊列為滿時，add會拋出異常IllegalStateException，而offer只是返回false。

把LinkedList當做Queue使用也很簡單，比如，可以這樣：

Queue<String> queue = new LinkedList<>();

queue.offer("a");
queue.offer("b");
queue.offer("c");

while(queue.peek()!=null){
    System.out.println(queue.poll());    
}

輸出為：

a
b
c

棧

我們在介紹函數調用原理的時候介紹過棧，棧也是一種常用的數據結構，與隊列相反，它的特點是先進後出、後進先出，類似於一個儲物箱，放的時候是一件件往上放，拿的時候則只能從上面開始拿。

Java中有一個類Stack，用於表示棧，但這個類已經過時了，我們不再介紹，Java中沒有單獨的棧接口，棧相關方法包括在了表示雙端隊列的接口Deque中，主要有三個方法：

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

解釋下：

push表示入棧，在頭部添加元素，棧的空間可能是有限的，如果棧滿了，push會拋出異常IllegalStateException。
pop表示出棧，返回頭部元素，並且從棧中刪除，如果棧為空，會拋出異常NoSuchElementException。
peek查看棧頭部元素，不修改棧，如果棧為空，返回null。

把LinkedList當做棧使用也很簡單，比如，可以這樣：

Deque<String> stack = new LinkedList<>();

stack.push("a");
stack.push("b");
stack.push("c");

while(stack.peek()!=null){
    System.out.println(stack.pop());    
}

輸出為：

c
b
a

雙端隊列 (Deque)

棧和隊列都是在兩端進行操作，棧只操作頭部，隊列兩端都操作，但尾部只添加、頭部只查看和刪除，有一個更為通用的操作兩端的接口Deque，Deque擴展了Queue，包括了棧的操作方法，此外，它還有如下更為明確的操作兩端的方法：

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操作頭部，xxxLast操作尾部。與隊列類似，每種操作有兩種形式，區別也是在隊列為空或滿時，處理不同。為空時，getXXX/removeXXX會拋出異常，而peekXXX/pollXXX會返回null。隊列滿時，addXXX會拋出異常，offerXXX只是返回false。

棧和隊列只是雙端隊列的特殊情況，它們的方法都可以使用雙端隊列的方法替代，不過，使用不同的名稱和方法，概念上更為清晰。

Deque接口還有一個迭代器方法，可以從後往前遍歷

Iterator<E> descendingIterator();

比如，看如下代碼：

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()+" ");
}

輸出為

c b a

用法小結

LinkedList的用法是比較簡單的，與ArrayList用法類似，支持List接口，只是，LinkedList增加了一個接口Deque，可以把它看做隊列、棧、雙端隊列，方便的在兩端進行操作。

如果只是用作List，那應該用ArrayList還是LinkedList呢？我們需要了解下LinkedList的實現原理。

實現原理

內部組成

我們知道，ArrayList內部是數組，元素在內存是連續存放的，但LinkedList不是。LinkedList直譯就是鏈表，確切的說，它的內部實現是雙向鏈表，每個元素在內存都是單獨存放的，元素之間通過鏈接連在一起，類似於小朋友之間手拉手一樣。

為了表示鏈接關系，需要一個節點的概念，節點包括實際的元素，但同時有兩個鏈接，分別指向前一個節點(前驅)和後一個節點(後繼)，節點是一個內部類，具體定義為：

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類表示節點，item指向實際的元素，next指向下一個節點，prev指向前一個節點。

LinkedList內部組成就是如下三個實例變量：

transient int size = 0;
transient Node<E> first;
transient Node<E> last;

我們暫時忽略transient關鍵字，size表示鏈表長度，默認為0，first指向頭節點，last指向尾節點，初始值都為null。

LinkedList的所有public方法內部操作的都是這三個實例變量，具體是怎麼操作的？鏈接關系是如何維護的？我們看一些主要的方法，先來看add方法。

Add方法

add方法的代碼為：

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

主要就是調用了linkLast，它的代碼為：

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++;
}

代碼的基本步驟是：

1. 創建一個新的節點newNode。prev指向原來的尾節點，如果原來鏈表為空，則為null。代碼為：

Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);

2. 修改尾節點last，指向新的最後節點newNode。代碼為：

last = newNode;

3. 修改前節點的後向鏈接，如果原來鏈表為空，則讓頭節點指向新節點，否則讓前一個節點的next指向新節點。代碼為：

if (l == null)
    first = newNode;
else
    l.next = newNode;

4. 增加鏈表大小。代碼為：

size++

modCount++的目的與ArrayList是一樣的，記錄修改次數，便於迭代中間檢測結構性變化。

我們通過一些圖示來更清楚的看一下，比如說，代碼為：

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

執行完第一行後，內部結構如下所示：

添加完"a"後，內部結構如下所示：

添加完"b"後，內部結構如下所示：

可以看出，與ArrayList不同，LinkedList的內存是按需分配的，不需要預先分配多余的內存，添加元素只需分配新元素的空間，然後調節幾個鏈接即可。

根據索引訪問元素 get

添加了元素，如果根據索引訪問元素呢？我們看下get方法的代碼：

public E get(int index) {
    checkElementIndex(index);
    return node(index).item;
}

checkElementIndex檢查索引位置的有效性，如果無效，拋出異常，代碼為：

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，則調用node方法查找對應的節點，其item屬性就指向實際元素內容，node方法的代碼為：

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等於size/2，如果索引位置在前半部分 (index<(size>>1))，則從頭節點開始查找，否則，從尾節點開始查找。

可以看出，與ArrayList明顯不同，ArrayList中數組元素連續存放，可以直接隨機訪問，而在LinkedList中，則必須從頭或尾，順著鏈接查找，效率比較低。

根據內容查找元素

我們看下indexOf的代碼：

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;
}

代碼也很簡單，從頭節點順著鏈接往後找，如果要找的是null，則找第一個item為null的節點，否則使用equals方法進行比較。

插入元素

add是在尾部添加元素，如果在頭部或中間插入元素呢？可以使用如下方法：

public void add(int index, E element)

它的代碼是：

public void add(int index, E element) {
    checkPositionIndex(index);

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

如果index為size，添加到最後面，一般情況，是插入到index對應節點的前面，調用方法為linkBefore，它的代碼為：

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++;
}

參數succ表示後繼節點。變量pred就表示前驅節點。目標就是在pred和succ中間插入一個節點。插入步驟是：

1. 新建一個節點newNode，前驅為pred，後繼為succ。代碼為：

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

2. 讓後繼的前驅指向新節點。代碼為：

succ.prev = newNode;

3. 讓前驅的後繼指向新節點，如果前驅為空，修改頭節點指向新節點。代碼為：

if (pred == null)
    first = newNode;
else
    pred.next = newNode;

4. 增加長度。

我們通過圖示來更清楚的看下，還是上面的例子，比如，添加一個元素：

list.add(1, "c");

圖示結構會變為：

可以看出，在中間插入元素，LinkedList只需按需分配內存，修改前驅和後繼節點的鏈接，而ArrayList則可能需要分配很多額外空間，且移動所有後續元素。

刪除元素

我們再來看刪除元素，代碼為：

public E remove(int index) {
    checkElementIndex(index);
    return unlink(node(index));
}

通過node方法找到節點後，調用了unlink方法，代碼為：

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;
}

刪除x節點，基本思路就是讓x的前驅和後繼直接鏈接起來，next是x的後繼，prev是x的前驅，具體分為兩步：

我們再通過圖示看下，還是上面的例子，如果刪除一個元素：