Java集合詳解2：一文讀懂Queue和LinkedList
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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
LinkedList提供了兩個構造方法：LinkedList()和LinkedList(Collection<? extends E> 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： 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。 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： 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
其他的移除方法： 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：
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。
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。
先執行 siftDown() 下濾過程：
再執行 siftUp() 上濾過程：
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。
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https://blog.csdn.net/m0_37869177/article/details/88847569
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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
/**
* 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);
}
/**
* 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;
}
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;
}
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;
}
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;
}
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
DeQueue
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）。正是通過與（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;
}
PriorityQueue（底層用陣列實現堆的結構）
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
}
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
}
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;
}
總結和同步的問題
參考文章
微信公眾號
Java技術江湖
個人公眾號：黃小斜
來自 “ ITPUB部落格 ” ，連結：http://blog.itpub.net/69906029/viewspace-2659445/，如需轉載，請註明出處，否則將追究法律責任。
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