從面試角度分析LinkedList原始碼

Java旅途發表於2020-12-18
面試原始碼

注：本系列文章中用到的jdk版本均為java8

LinkedList類圖如下：

LinkedList底層是由雙向連結串列實現的。連結串列好比火車，每節車廂包含了車廂和連線下一節車廂的連線點。而雙向連結串列的每個節點不僅有指向下一個節點的指標，還有指向上一個節點的指標。
在LinkedList原始碼中有一個Node靜態類，原始碼如下：

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;
    }
}

一個Node節點包含三個部分，分別是

  • item：資料
  • next：下一個節點的指標
  • prev：上一個節點的指標

LinkedList的主要變數如下：

// 集合中的元素數量
transient int size = 0;

/**
  * 首節點的指標.
  * Invariant: (first == null && last == null) ||
  *            (first.prev == null && first.item != null)
  */
transient Node<E> first;

/**
  * 尾結點的指標.
  * Invariant: (first == null && last == null) ||
  *            (last.next == null && last.item != null)
  */
transient Node<E> last;

一 新增元素

LinkedList支援想任意節點位置新增元素，不僅提供了集合常用的add()方法，還提供了addFirst()和addLast()，add()方法預設呼叫addLast()方法，也就是預設是往連結串列尾部插入元素的。

add()方法原始碼：

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

1.1 尾部插入元素

linkLast()原始碼如下：

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++;
}

我們來畫張圖演示一下如何給連結串列尾部插入元素：

假如連結串列中沒有元素

對應原始碼中的if語句，如果沒有元素則新增的這個節點為連結串列中唯一的一個元素，既是首節點，又是尾結點，前一個元素的指標和後一個元素的指標都是null。這裡注意head節點不是第一個節點，head節點只是標識了這個連結串列的地址。

假如連結串列中有元素

對應原始碼中else語句。先將新增的元素當成Last節點，然後將原來的Last節點的next指向新節點。

else
    l.next = newNode;

一圖勝前言，畫個圖是不是什麼都明白了。

1.2 頭部插入元素

linkFirst()原始碼如下：

private void linkFirst(E e) {
    final Node<E> f = first;
    final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
    first = newNode;
    if (f == null)
        last = newNode;
    else
        f.prev = newNode;
    size++;
    modCount++;
}

還是根據上面的圖來解讀一下原始碼，先將第一個節點賦值給中間變數f，將新節點newNode賦值給first節點。如果連結串列沒有元素，則Last節點和First節點都是新插入的節點newNode，否則，將原來的First節點的頭指標指向新節點。

二 刪除元素

LinkedList提供的刪除方法有根據索引和元素刪除，除此之外還提供刪除第一個元素和最後一個元素的方法，這裡我們只分析一下根據索引刪除的方法。

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

checkElementIndex(index)方法就是用來判斷傳輸的索引值是否合法，不合法則丟擲陣列越界異常。重點來看一下unlink(node(index))方法是如何刪除元素的。

node(index)方法原始碼：

node(index)方法就是根據索引獲取該索引位置的節點

Node<E> node(int index) {
    // assert isElementIndex(index);
    // 如果指定下標 < 一半元素數量，則從首結點開始遍歷
    // 否則，從尾結點開始遍歷
    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;
    }
}

unlink(Node<E> x)原始碼如下：

E unlink(Node<E> x) {
    // assert x != null;
    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;
}

畫張圖分析一下刪除是如何進行的：

  1. 假設刪除的是第一個元素：則它的prev==NULL，我們需要將他的後一個元素（圖中的second）作為第一個元素
  2. 假設刪除的是最後一個元素，則它的next==null，我們需要將他的前一個元素（途中的second）作為最後一個元素
  3. 如果是中間的任意元素，則需要將它的前一個元素的next指標指向它的後一個元素，同時將它的後一個元素的prev指標指向它的前一個元素。

三 總結

LinkedList底層是由雙向連結串列實現的，由於是連結串列實現的，不僅要存放資料，還要存放指標，所以記憶體開銷要比ArrayList大，刪除元素不需要移動其他元素，只需要改變指標的指向，因此刪除效率更高，同時它沒有實現RandomAccess介面，因此使用迭代器遍歷要比for迴圈更加高效。LinkedList也支援插入重複值和空值，同樣也是執行緒不安全的。

點關注、不迷路

如果覺得文章不錯，歡迎關注、點贊、收藏，你們的支援是我創作的動力，感謝大家。

如果文章寫的有問題，請不要吝惜文筆，歡迎留言指出，我會及時核查修改。

如果你還想看到更多別的東西，可以微信搜尋「Java旅途」進行關注。「Java旅途」目前已經整理各種中介軟體的使用教程及各類Java相關的面試題。掃描下方二維碼進行關注就可以得到這些資料。

相關文章