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本文參考 http://cmsblogs.com/?p=155 
和 
https://www.jianshu.com/p/0e84b8d3606c

## LinkedList
### 概述
> 
>   LinkedList與ArrayList一樣實現List介面，只是ArrayList是List介面的大小可變陣列的實現，LinkedList是List介面連結串列的實現。基於連結串列實現的方式使得LinkedList在插入和刪除時更優於ArrayList，而隨機訪問則比ArrayList遜色些。
> 
>   LinkedList實現所有可選的列表操作，並允許所有的元素包括null。
> 
>   除了實現 List 介面外，LinkedList 類還為在列表的開頭及結尾 get、remove 和 insert 元素提供了統一的命名方法。這些操作允許將連結列表用作堆疊、佇列或雙端佇列。
> 
>   此類實現 Deque 介面，為 add、poll 提供先進先出佇列操作，以及其他堆疊和雙端佇列操作。
> 
>   所有操作都是按照雙重連結列表的需要執行的。在列表中編索引的操作將從開頭或結尾遍歷列表（從靠近指定索引的一端）。
> 
>   同時，與ArrayList一樣此實現不是同步的。
> 
>   （以上摘自JDK 6.0 API）。

### 原始碼分析

#### 定義

首先我們先看LinkedList的定義：

public class LinkedList<e>
        extends AbstractSequentialList<e>
        implements List<e>, Deque<e>, Cloneable, java.io.Serializable
          從這段程式碼中我們可以清晰地看出LinkedList繼承AbstractSequentialList，實現List、Deque、Cloneable、Serializable。其中AbstractSequentialList提供了 List 介面的骨幹實現，從而最大限度地減少了實現受“連續訪問”資料儲存（如連結列表）支援的此介面所需的工作,從而以減少實現List介面的複雜度。Deque一個線性 collection，支援在兩端插入和移除元素，定義了雙端佇列的操作。

#### 屬性

在LinkedList中提供了兩個基本屬性size、header。

private transient Entry<e> header = new Entry<e>(null, null, null);
private transient int size = 0;
其中size表示的LinkedList的大小，header表示連結串列的表頭，Entry為節點物件。

private static class Entry<e> {
        E element;        //元素節點
        Entry<e> next;    //下一個元素
        Entry<e> previous;  //上一個元素
    
        Entry(E element, Entry<e> next, Entry<e> previous) {
            this.element = element;
            this.next = next;
            this.previous = previous;
        }
    }
      上面為Entry物件的原始碼，Entry為LinkedList的內部類，它定義了儲存的元素。該元素的前一個元素、後一個元素，這是典型的雙向連結串列定義方式。

#### 構造方法

LinkedList提供了兩個構造方法：LinkedList()和LinkedList(Collection extends E> c)。

/**
         *  構造一個空列表。
         */
        public LinkedList() {
            header.next = header.previous = header;
        }
        
        /**
         *  構造一個包含指定 collection 中的元素的列表，這些元素按其 collection 的迭代器返回的順序排列。
         */
        public LinkedList(Collection extends E> c) {
            this();
            addAll(c);
        }
  LinkedList()構造一個空列表。裡面沒有任何元素，僅僅只是將header節點的前一個元素、後一個元素都指向自身。

LinkedList(Collection extends E> c)： 構造一個包含指定 collection 中的元素的列表，這些元素按其 collection 的迭代器返回的順序排列。該建構函式首先會呼叫LinkedList()，構造一個空列表，然後呼叫了addAll()方法將Collection中的所有元素新增到列表中。以下是addAll()的原始碼：

/**
         *  新增指定 collection 中的所有元素到此列表的結尾，順序是指定 collection 的迭代器返回這些元素的順序。
         */
        public boolean addAll(Collection extends E> c) {
            return addAll(size, c);
        }
        
    /**
     * 將指定 collection 中的所有元素從指定位置開始插入此列表。其中index表示在其中插入指定collection中第一個元素的索引
     */
    public boolean addAll(int index, Collection extends E> c) {
        //若插入的位置小於0或者大於連結串列長度，則丟擲IndexOutOfBoundsException異常
        if (index < 0 || index > size)
            throw new IndexOutOfBoundsException("Index: " + index + ", Size: " + size);
        Object[] a = c.toArray();
        int numNew = a.length;    //插入元素的個數
        //若插入的元素為空，則返回false
        if (numNew == 0)
            return false;
        //modCount:在AbstractList中定義的，表示從結構上修改列表的次數
        modCount++;
        //獲取插入位置的節點，若插入的位置在size處，則是頭節點，否則獲取index位置處的節點
        Entry<e> successor = (index == size ? header : entry(index));
        //插入位置的前一個節點，在插入過程中需要修改該節點的next引用：指向插入的節點元素
        Entry<e> predecessor = successor.previous;
        //執行插入動作
        for (int i = 0; i < numNew; i++) {
            //構造一個節點e，這裡已經執行了插入節點動作同時修改了相鄰節點的指向引用
            //
            Entry<e> e = new Entry<e>((E) a[i], successor, predecessor);
            //將插入位置前一個節點的下一個元素引用指向當前元素
            predecessor.next = e;
            //修改插入位置的前一個節點，這樣做的目的是將插入位置右移一位，保證後續的元素是插在該元素的後面，確保這些元素的順序
            predecessor = e;
        }
        successor.previous = predecessor;
        //修改容量大小
        size += numNew;
        return true;
    }
      在addAll()方法中，涉及到了兩個方法，一個是entry(int index)，該方法為LinkedList的私有方法，主要是用來查詢index位置的節點元素。

/**
         * 返回指定位置(若存在)的節點元素
         */
        private Entry<e> entry(int index) {
            if (index < 0 || index >= size)
                throw new IndexOutOfBoundsException("Index: " + index + ", Size: "
                        + size);
            //頭部節點
            Entry<e> e = header;
            //判斷遍歷的方向
            if (index < (size >> 1)) {
                for (int i = 0; i <= index; i++)
                    e = e.next;
            } else {
                for (int i = size; i > index; i--)
                    e = e.previous;
            }
            return e;
        }
        
  從該方法有兩個遍歷方向中我們也可以看出LinkedList是雙向連結串列，這也是在構造方法中為什麼需要將header的前、後節點均指向自己。

如果對資料結構有點了解，對上面所涉及的內容應該問題，我們只需要清楚一點：LinkedList是雙向連結串列，其餘都迎刃而解。

由於篇幅有限，下面將就LinkedList中幾個常用的方法進行原始碼分析。

#### 增加方法

add(E e): 將指定元素新增到此列表的結尾。

public boolean add(E e) {
        addBefore(e, header);
            return true;
        }
          該方法呼叫addBefore方法，然後直接返回true，對於addBefore()而已，它為LinkedList的私有方法。
    
    private Entry<e> addBefore(E e, Entry<e> entry) {
            //利用Entry建構函式構建一個新節點 newEntry，
            Entry<e> newEntry = new Entry<e>(e, entry, entry.previous);
            //修改newEntry的前後節點的引用，確保其連結串列的引用關係是正確的
            newEntry.previous.next = newEntry;
            newEntry.next.previous = newEntry;
            //容量+1
            size++;
            //修改次數+1
            modCount++;
            return newEntry;
        }
  在addBefore方法中無非就是做了這件事：構建一個新節點newEntry，然後修改其前後的引用。

LinkedList還提供了其他的增加方法：

add(int index, E element)：在此列表中指定的位置插入指定的元素。

addAll(Collection extends E> c)：新增指定 collection 中的所有元素到此列表的結尾，順序是指定 collection 的迭代器返回這些元素的順序。

addAll(int index, Collection extends E> c)：將指定 collection 中的所有元素從指定位置開始插入此列表。

AddFirst(E e): 將指定元素插入此列表的開頭。

addLast(E e): 將指定元素新增到此列表的結尾。

#### 移除方法

remove(Object o)：從此列表中移除首次出現的指定元素（如果存在）。該方法的原始碼如下：

public boolean remove(Object o) {
            if (o==null) {
                for (Entry<e> e = header.next; e != header; e = e.next) {
                    if (e.element==null) {
                        remove(e);
                        return true;
                    }
                }
            } else {
                for (Entry<e> e = header.next; e != header; e = e.next) {
                    if (o.equals(e.element)) {
                        remove(e);
                        return true;
                    }
                }
            }
            return false;
        }
        
  該方法首先會判斷移除的元素是否為null，然後迭代這個連結串列找到該元素節點，最後呼叫remove(Entry<e> e)，remove(Entry<e> e)為私有方法，是LinkedList中所有移除方法的基礎方法，如下：

private E remove(Entry<e> e) {
            if (e == header)
                throw new NoSuchElementException();
    
            //保留被移除的元素：要返回
            E result = e.element;
            
            //將該節點的前一節點的next指向該節點後節點
            e.previous.next = e.next;
            //將該節點的後一節點的previous指向該節點的前節點
            //這兩步就可以將該節點從連結串列從除去：在該連結串列中是無法遍歷到該節點的
            e.next.previous = e.previous;
            //將該節點歸空
            e.next = e.previous = null;
            e.element = null;
            size--;
            modCount++;
            return result;
        }
        
其他的移除方法：

clear()： 從此列表中移除所有元素。

remove()：獲取並移除此列表的頭（第一個元素）。

remove(int index)：移除此列表中指定位置處的元素。

remove(Objec o)：從此列表中移除首次出現的指定元素（如果存在）。

removeFirst()：移除並返回此列表的第一個元素。

removeFirstOccurrence(Object o)：從此列表中移除第一次出現的指定元素（從頭部到尾部遍歷列表時）。

removeLast()：移除並返回此列表的最後一個元素。

removeLastOccurrence(Object o)：從此列表中移除最後一次出現的指定元素（從頭部到尾部遍歷列表時）。

#### 查詢方法

對於查詢方法的原始碼就沒有什麼好介紹了，無非就是迭代，比對，然後就是返回當前值。

get(int index)：返回此列表中指定位置處的元素。

getFirst()：返回此列表的第一個元素。

getLast()：返回此列表的最後一個元素。

indexOf(Object o)：返回此列表中首次出現的指定元素的索引，如果此列表中不包含該元素，則返回 -1。

lastIndexOf(Object o)：返回此列表中最後出現的指定元素的索引，如果此列表中不包含該元素，則返回 -1。
      
## Queue

Queue介面定義了佇列資料結構，元素是有序的(按插入順序)，先進先出。Queue介面相關的部分UML類圖如下：

![](https://upload-images.jianshu.io/upload_images/195193-bcff191213cf126a.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/578)

### DeQueue

> DeQueue(Double-ended queue)為介面，繼承了Queue介面，建立雙向佇列，靈活性更強，可以前向或後向迭代，在隊頭隊尾均可心插入或刪除元素。它的兩個主要實現類是ArrayDeque和LinkedList。

### ArrayDeque （底層使用迴圈陣列實現雙向佇列）

#### 建立

public ArrayDeque() {
       // 預設容量為16
       elements = new Object[16];
    }
    
    public ArrayDeque(int numElements) {
       // 指定容量的建構函式
       allocateElements(numElements);
    }
    private void allocateElements(int numElements) {
            int initialCapacity = MIN_INITIAL_CAPACITY;// 最小容量為8
            // Find the best power of two to hold elements.
            // Tests "<=" because arrays aren't kept full.
            // 如果要分配的容量大於等於8，擴大成2的冪（是為了維護頭、尾下標值）；否則使用最小容量8
            if (numElements >= initialCapacity) {
                initialCapacity = numElements;
                initialCapacity |= (initialCapacity >>>  1);
                initialCapacity |= (initialCapacity >>>  2);
                initialCapacity |= (initialCapacity >>>  4);
                initialCapacity |= (initialCapacity >>>  8);
                initialCapacity |= (initialCapacity >>> 16);
                initialCapacity++;
                if (initialCapacity < 0)   // Too many elements, must back off
                    initialCapacity >>>= 1;// Good luck allocating 2 ^ 30 elements
            }
            elements = new Object[initialCapacity];
        }

#### add操作

add(E e) 呼叫 addLast(E e) 方法：
    public void addLast(E e) {
       if (e == null)
          throw new NullPointerException("e == null");
       elements[tail] = e; // 根據尾索引，新增到尾端
       // 尾索引+1，並與陣列（length - 1）進行取‘&’運算，因為length是2的冪，所以（length-1）轉換為2進位制全是1，
       // 所以如果尾索引值 tail 小於等於（length - 1），那麼‘&’運算後仍為 tail 本身；如果剛好比（length - 1）大1時，
       // ‘&’運算後 tail 便為0（即回到了陣列初始位置）。正是透過與（length - 1）進行取‘&’運算來實現陣列的雙向迴圈。
       // 如果尾索引和頭索引重合了，說明陣列滿了，進行擴容。
       if ((tail = (tail + 1) & (elements.length - 1)) == head)
          doubleCapacity();// 擴容為原來的2倍
    }

addFirst(E e) 的實現：
    public void addFirst(E e) {
       if (e == null)
          throw new NullPointerException("e == null");
       // 此處如果head為0，則-1（1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111）與（length - 1）進行取‘&’運算，結果必然是（length - 1），即回到了陣列的尾部。
       elements[head = (head - 1) & (elements.length - 1)] = e;
       // 如果尾索引和頭索引重合了，說明陣列滿了，進行擴容
       if (head == tail)
          doubleCapacity();
    }

#### remove操作

remove()方法最終都會調對應的poll()方法：
        public E poll() {
            return pollFirst();
        }
        public E pollFirst() {
            int h = head;
            @SuppressWarnings("unchecked") E result = (E) elements[h];
            // Element is null if deque empty
            if (result == null)
                return null;
            elements[h] = null;     // Must null out slot
            // 頭索引 + 1
            head = (h + 1) & (elements.length - 1);
            return result;
        }
        public E pollLast() {
            // 尾索引 - 1
            int t = (tail - 1) & (elements.length - 1);
            @SuppressWarnings("unchecked") E result = (E) elements[t];
            if (result == null)
                return null;
            elements[t] = null;
            tail = t;
            return result;
        }

![](https://upload-images.jianshu.io/upload_images/195193-e36436dd0c750c3c.jpg?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/700)

### PriorityQueue（底層用陣列實現堆的結構）
> 
> 優先佇列跟普通的佇列不一樣，普通佇列是一種遵循FIFO規則的佇列，拿資料的時候按照加入佇列的順序拿取。 而優先佇列每次拿資料的時候都會拿出優先順序最高的資料。
> 
> 優先佇列內部維護著一個堆，每次取資料的時候都從堆頂拿資料（堆頂的優先順序最高），這就是優先佇列的原理。
>

#### add 新增方法

public boolean add(E e) {
        return offer(e); // add方法內部呼叫offer方法
    }
    public boolean offer(E e) {
        if (e == null) // 元素為空的話，丟擲NullPointerException異常
            throw new NullPointerException();
        modCount++;
        int i = size;
        if (i >= queue.length) // 如果當前用堆表示的陣列已經滿了，呼叫grow方法擴容
            grow(i + 1); // 擴容
        size = i + 1; // 元素個數+1
        if (i == 0) // 堆還沒有元素的情況
            queue[0] = e; // 直接給堆頂賦值元素
        else // 堆中已有元素的情況
            siftUp(i, e); // 重新調整堆，從下往上調整，因為新增元素是加到最後一個葉子節點
        return true;
    }
    private void siftUp(int k, E x) {
        if (comparator != null)  // 比較器存在的情況下
            siftUpUsingComparator(k, x); // 使用比較器調整
        else // 比較器不存在的情況下
            siftUpComparable(k, x); // 使用元素自身的比較器調整
    }
    private void siftUpUsingComparator(int k, E x) {
        while (k > 0) { // 一直迴圈直到父節點還存在
            int parent = (k - 1) >>> 1; // 找到父節點索引，等同於（k - 1）/ 2
            Object e = queue[parent]; // 獲得父節點元素
            // 新元素與父元素進行比較，如果滿足比較器結果，直接跳出，否則進行調整
            if (comparator.compare(x, (E) e) >= 0) 
                break;
            queue[k] = e; // 進行調整，新位置的元素變成了父元素
            k = parent; // 新位置索引變成父元素索引，進行遞迴操作
        }
        queue[k] = x; // 新新增的元素新增到堆中
    }

![](https://upload-images.jianshu.io/upload_images/195193-be988ac1a1a415d1.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/670)
#### poll，出隊方法

public E poll() {
        if (size == 0)
            return null;
        int s = --size; // 元素個數-1
        modCount++;
        E result = (E) queue[0]; // 得到堆頂元素
        E x = (E) queue[s]; // 最後一個葉子節點
        queue[s] = null; // 最後1個葉子節點置空
        if (s != 0)
            siftDown(0, x); // 從上往下調整，因為刪除元素是刪除堆頂的元素
        return result;
    }
    private void siftDown(int k, E x) {
        if (comparator != null) // 比較器存在的情況下
            siftDownUsingComparator(k, x); // 使用比較器調整
        else // 比較器不存在的情況下
            siftDownComparable(k, x); // 使用元素自身的比較器調整
    }
    private void siftDownUsingComparator(int k, E x) {
        int half = size >>> 1; // 只需迴圈節點個數的一般即可
        while (k < half) {
            int child = (k << 1) + 1; // 得到父節點的左子節點索引，即（k * 2）+ 1
            Object c = queue[child]; // 得到左子元素
            int right = child + 1; // 得到父節點的右子節點索引
            if (right < size &&
                comparator.compare((E) c, (E) queue[right]) > 0) // 左子節點跟右子節點比較，取更大的值
                c = queue[child = right];
            if (comparator.compare(x, (E) c) <= 0)  // 然後這個更大的值跟最後一個葉子節點比較
                break;
            queue[k] = c; // 新位置使用更大的值
            k = child; // 新位置索引變成子元素索引，進行遞迴操作
        }
        queue[k] = x; // 最後一個葉子節點新增到合適的位置
    }
![](https://upload-images.jianshu.io/upload_images/195193-c88e7314648144da.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/680)
#### remove，刪除佇列元素

public boolean remove(Object o) {
        int i = indexOf(o); // 找到資料對應的索引
        if (i == -1) // 不存在的話返回false
            return false;
        else { // 存在的話呼叫removeAt方法，返回true
            removeAt(i);
            return true;
        }
    }
    private E removeAt(int i) {
        modCount++;
        int s = --size; // 元素個數-1
        if (s == i) // 如果是刪除最後一個葉子節點
            queue[i] = null; // 直接置空，刪除即可，堆還是保持特質，不需要調整
        else { // 如果是刪除的不是最後一個葉子節點
            E moved = (E) queue[s]; // 獲得最後1個葉子節點元素
            queue[s] = null; // 最後1個葉子節點置空
            siftDown(i, moved); // 從上往下調整
            if (queue[i] == moved) { // 如果從上往下調整完畢之後發現元素位置沒變，從下往上調整
                siftUp(i, moved); // 從下往上調整
                if (queue[i] != moved)
                    return moved;
            }
        }
        return null;
    }

先執行 siftDown() 下濾過程：

![](https://upload-images.jianshu.io/upload_images/195193-a64dbb5508a9c668.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/642)

再執行 siftUp() 上濾過程：

![](https://upload-images.jianshu.io/upload_images/195193-e9ad437213e69b07.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/633)

## 總結和同步的問題

1、jdk內建的優先佇列PriorityQueue內部使用一個堆維護資料，每當有資料add進來或者poll出去的時候會對堆做從下往上的調整和從上往下的調整。

2、PriorityQueue不是一個執行緒安全的類，如果要在多執行緒環境下使用，可以使用 PriorityBlockingQueue 這個優先阻塞佇列。其中add、poll、remove方法都使用 ReentrantLock 鎖來保持同步，take() 方法中如果元素為空，則會一直保持阻塞。

## 參考文章

http://cmsblogs.com/?p=155

https://www.jianshu.com/p/0e84b8d3606c

https://blog.csdn.net/Faker_Wang/article/details/80923155

https://blog.csdn.net/m0_37869177/article/details/88847569

https://www.iteye.com/blog/shmilyaw-hotmail-com-1825171

https://blog.csdn.net/weixin_36378917/article/details/81812210

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作者專注於 JAVA 後端技術棧，熱衷於分享程式設計師乾貨、學習經驗、求職心得和程式人生，目前黃小斜的CSDN部落格有百萬+訪問量，知乎粉絲2W+，全網已有10W+讀者。

黃小斜是一個斜槓青年，堅持學習和寫作，相信終身學習的力量，希望和更多的程式設計師交朋友，一起進步和成長！關注公眾號【黃小斜】後回覆【原創電子書】即可領取我原創的電子書《菜鳥程式設計師修煉手冊：從技術小白到阿里巴巴Java工程師》

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Java集合詳解2：一文讀懂Queue和LinkedList

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