双向链表与数据结构

引言
在上小节中
我们分析了ArrayList的底层实现,
知道了ArrayList底层是基于数组实现的,因此具有查找修改快而插入、删除慢的特点
本章我们介绍的LinkedList是List接口的另一种实现
它的底层是基于双向链表实现的
因此它具有插入、删除快而查找修改慢的特点

什么是LinkedList

LinkList是一个双向链表(双链表);它是链表的一种,也是最常见的数据结构,其内部数据呈线性排列,属于线性表结构.

一起探秘,不可不知双向链表底层原理_java

它的每个数据结点中都有两个指针,分别指向直接后继和直接前驱。所以,从双向链表中的任意一个结点开始,都可以很方便地访问它的前驱结点和后继结点,所以是双向链表.

LinkList特点:

一起探秘,不可不知双向链表底层原理_java_02

链表: 优势:不是连续的内存,随便插入(前、中间、尾部) 插入O(1) 劣势:查询慢O(N)

线程不安全的,允许为null,允许重复元素

蓝色表示;可随意插入、删除

查询循环循环链表

总结

双链表的节点既有指向下一个节节点的指针,也有指向上一个结点的指针(双向读)

所谓指针,就是指向其他节点的一个对象的引用(说白了就是定义了两个成员变量)

双向链表线程不安全的,允许为null,允许重复元素

查询O(n)

插入删除O(1)

1.2 双向链表继承关系

一起探秘,不可不知双向链表底层原理_后端_03

LinkedList 是一个继承于AbstractSequentialList的双向链表。 LinkedList 实现 List 接口,能对它进行队列操作。 LinkedList 实现 Deque 接口,能将LinkedList当作双端队列(double ended queue使用。

LinkedList 实现了Cloneable接口,即覆盖了函数clone(),能克隆。 LinkedList 实现java.io.Serializable接口,这意味着LinkedList支持序列化,能通过序列化去传输。

1.3 双向链表源码深度剖析

案例代码

com.llist.LList

package com.llist;

import java.util.ArrayList;
import java.util.Collection;
import java.util.LinkedList;

public class LList {

public static void main(String[] args) {
LinkedList<String> linkedList = new LinkedList<String>();
linkedList.add("100");//尾插,等价于 linkedList.addLast()
linkedList.add("200");
linkedList.add("300");
//*******中间插入linkedList..add(3,"700")*************
linkedList.add("400");
linkedList.add("500");
linkedList.add("600");
System.out.println(linkedList);
linkedList.add(3,"700");//中间插入
System.out.println(linkedList);
//*******修改***************************************
linkedList.set(3,"700000000");
System.out.println(linkedList);
//*******查询***************************************
System.out.println(linkedList.getFirst());//头查
System.out.println(linkedList.getLast());//尾查
// for(int s=0;s<linkedList.size();s++){
// System.out.println(linkedList.get(s));//随机插
// }

//*******移除***************************************
LinkedList<String> linkedListRemove = new LinkedList<String>();
linkedListRemove.add("100");
linkedListRemove.add("200");
linkedListRemove.add("300");
linkedListRemove.remove(1);//指定移除
linkedListRemove.removeAll(linkedList);//也调用上面的unlink方法;LinkedList.ListItr.remove
}

}

1.3.1 链表成员变量与内部类

我们先来定义几个叫法,后面会用到它

一起探秘,不可不知双向链表底层原理_后端_04

transient int size = 0;//元素个数
transient Node<E> first;//头结点引用(查询时获取)
transient Node<E> last;//尾节点引用(查询时获取)



private static class Node<E> { //链表节点元素,封装了真实数据,同时加入了前后指针
E item;//元素,这是放入的真实数据
Node<E> next;//下一个节点,指针也是Node类型
Node<E> prev;//上一个节点

//构造器,前、值、后,很清晰
Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
this.item = element;//新元素
this.next = next;//下个节点
this.prev = prev;//上个节点
}
}

1.3.2 双向链表构造器

无参构造器: 没有做任何事情

public LinkedList() { //无参构造器
}

有参构造器:传入外部集合的构造器

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

秘密就藏在addAll上(重点,画图展示)

public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
checkPositionIndex(index); //边界判断

Object[] a = c.toArray(); //不管你传啥类型,统一转成数组
int numNew = a.length; //需要新插入的个数
if (numNew == 0)
return false;

//两个指针,这俩表示你要插入点的前后两个节点。我们称之为前置node和后置node
//比如你的index=2 : 【 000 1111(pred) (index) 2222(succ) 33333 …… 】
Node<E> pred, succ;
if (index == size) { //下面就要定位到这俩指针的位置
succ = null; //如果指定的index和尾部相等,很显然后置是没有的
pred = last; //前置就是最后一个元素last
} else {
succ = node(index); //否则的话,后置就是当前index位置的node,这个方法下面有详细介绍先不管它
pred = succ.prev; //前置就是当前index位置的prev,很好理解
}

for (Object o : a) { //开始循环遍历插入元素
@SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) o;
Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, null); //定义个新节点,包装当前元素
if (pred == null) //如果前置为空,注意什么时候才为空?只有头插或当前list没有元素的时候
first = newNode; //说明是第一次放入元素,将first指向当前元素,完工
else
pred.next = newNode; //否则的话,前置node的后指针指向当前元素(接上了)
pred = newNode; //让前置指针后移,指向刚新建的node,为下一次循环做准备
} //依次循环,往上接,接完后,pred就是最后一个插入的元素

//全部循环接完以后,再来处理新接链条的后指针
if (succ == null) { //如果后置是nul的话,说明我们一直在尾部插入
last = pred; //将last指向最后一个插入的元素即可,它就是尾巴
} else {
pred.next = succ; //否则的话,最后一个插入的next指向原来插入前的后置
succ.prev = pred; //后置的前指针指向最后插入的元素,这两步是一对操作缺一不可
} //到此为止,截断的后半截链条也对接上了。

size += numNew; //最后不要忘记,元素数量增加
modCount++; //操作计数器增加
return true;
}

1.3.3 链表插入(重点)

1) 双向链表尾插法

1、add(E e),

2、addLast;

调用的方法都一样(linkLast)

public boolean add(E e) {
linkLast(e);//在链表尾部添加
return true;
}

在链表尾部添加

/**
* 在链表尾部添加
*/
void linkLast(E e) {
final Node<E> l = last;//取出当前最后一个节点
final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null); //创建一个新节点,注意其前驱节点为l
last = newNode;//尾指针指向新节点
if (l == null)//如果原来的尾巴节点为空,则表示链表为空,则将first节点也赋值为newNode
first = newNode;
else
l.next = newNode; // 否则的话,将原尾巴节点的后指针指向新节点,构成双向环
size++;// 计数
modCount++; //计数
}

结论:默认add就是尾插法,追加到尾部

2)双向链表中间插入

目标:将700插入到400的位置

插入前

一起探秘,不可不知双向链表底层原理_后端_05

插入后的


一起探秘,不可不知双向链表底层原理_后端_06

双向链表中间插入add(int index, E element)

//自定义插入
linkedList.add(3,"700");

源码如下

public void add(int index, E element) {
checkPositionIndex(index);//越界检查

if (index == size)//如果index就是指向的尾部,自然调尾插即可
linkLast(element);
else
linkBefore(element, node(index));//否则的话,找到index位置的node,插队到它前面去
}
/**
* 那它怎么找的呢?看以下方法(画图展示)
*/
Node<E> node(int index) {
// 这里有一个讨巧的设计!很灵活的应用了我们的first和last

if (index < (size >> 1)) { // index如果小于链表长度的1/2 (size右移1就是除以2)
Node<E> x = first;
for (int i = 0; i < index; i++) //从链表头开始移动 index 次
x = x.next; //依次往后指
return x; //循环完后,就找到了index位置的node,返回即可
} else { // 否则,说明index在链表的后半截,我们从链表尾部倒着往前找
Node<E> x = last;
for (int i = size - 1; i > index; i--) //一直循环,直到index位置
x = x.prev;
return x; //抓到后返回,完工!
}
}
//画图展示
void linkBefore(E e, Node<E> succ) { //找到之后,也就是这里的succ,我们就开始在它前面插入新元素
// assert succ != null;
final Node<E> pred = succ.prev;//上个节点
final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);//构建新的双向节点
succ.prev = newNode;//修改后置节点的前指针
if (pred == null) //如果前驱节点为空,链表为空
first = newNode; //那么当前插入的就是头节点
else
pred.next = newNode;//否则修改前置的后指针,指向新节点,双向链表对接成功!
size++;//个数加1
modCount++;//修改次数加1
}

1.3.4 双向链表修改方法

非常简单!

找到包装值的node,修改掉里面的属性即可

public E set(int index, E element) {
checkElementIndex(index);//越界检查
Node<E> x = node(index);//通过链表索引找到node
E oldVal = x.item;//获取原始值
x.item = element;//新值赋值
return oldVal;//返回老值
}

1.3.5 双向链表查询方法

简单!

get(int index):按照下标获取元素; 通用方法 getFirst():获取第一个元素; 特有方法,直接拿指针就是 getLast():获取最后一个元素; 特有方法,同样直接拿指针

public E get(int index) {
checkElementIndex(index);//越界检查
return node(index).item;//找到原始数组对应index的node
}
System.out.println(linkedList.getFirst());//头查
System.out.println(linkedList.getLast());//尾查

1.3.6 双向链表删除方法

remove(E e):移除指定元素; 通用方法

removeAll(Collection<?> c) 移除指定集合的元素; 也调用的unlink方法

两步走:1找,2删

public boolean remove(Object o) {
if (o == null) { //如果要移除null元素
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) { //从fist顺着链表往后找
if (x.item == null) { //发现就干掉
unlink(x); //重点!干掉元素调用的其实是unlink方法
return true;
}
}
} else {
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
if (o.equals(x.item)) { //如果不是移除null的话,路子一个样,无非就是==换成equals判断
unlink(x);
return true;
}
}
}
return false;
}
/**
* 画图展示:将要移除的Node,比如【100】【200】【300】
*/
E unlink(Node<E> x) {
// assert x != null;
final E element = x.item;//元素
final Node<E> next = x.next;//下个节点
final Node<E> prev = x.prev;//上个节点

if (prev == null) {
first = next;//上个为空,说明当前要移除的就是头节点,将fist指针指向后置,我被移除后它升级为头了
} else {
prev.next = next; //否则,前置的后指针指向后置
x.prev = null; //当前节点的前指针切断!
}

if (next == null) {
last = prev;//后置为空说明当前要移除的是尾节点,我被移除后,我的前置成为尾巴
} else {
next.prev = prev; //否则,后置的前指针指向前置节点
x.next = null; //当前节点的后指针切断!
} //到这里前后指针就理清了,该断的断了,该接的接了

x.item = null;// 把当前元素改成null,交给垃圾回收
size--;//链表大小减一
modCount++;//修改次数加一
return element; //已删除元素
}

本文由育博学谷狂野架构师发布如果本文对您有帮助,欢迎关注和点赞;如果您有任何建议也可留言评论或私信,您的支持是我坚持创作的动力 转载请注明出处!